Sunday, June 26, 2016

නව උර්දවපාතන තාප එන්ජිමක් A sublimation heat engine

යම් ශක්තියක් යාන්ත්‍රික ශක්තිය බවට හරවන විවිධ විවිධ එන්ජින් ගැන දැනුම නවතාක්ෂනය ඇසුරු කරන බොහෝ දෙනාට තිබේ යයි මම සිතමි. ඝණයක් වාෂ්ප කිරීමේදී සිදුවන උර්දවපාතන කියාවලිය මගින් තාප එන්ජිමක් ක්‍රියාත්මක කිරීම පිළිබඳව සංකල්පයක් ආදර්ශනය කිරීම නේචර් කොමියුනිකෂන් සඟරාවේ (Open access)  ලිපියක (G. G. Wells et al., A sublimation heat engine, Nat. Commun. 2015, 6390.) වාර්තා කර තිබුණි. ඇත්තෙන්ම එම එන්ජින් සංකල්පය නවතම එකක් ඊට වුවද ඔවුන් යොදාගෙන තිබුනේ ලෙයිඩන්ෆ්රෝස්ට් ආචරණය (leidenfrost effect) යන 1756 දී  J. G. Leidenfrost විසින් වාර්තා කල පැරණි සොයාගැනීමකි. ලෙයිඩන්ෆ්රෝස්ට් ආචරණයට වසර 240 කට ආසන්න කාලපරාසයක් තුල එතරම් සැලකිල්ලක් ලැබී නොතිබුන අතර 2007 දී පමණ ලෙයිඩන්ෆ්රෝස්ට් ආචරණය මගින් ජනන කරන ලද ප්‍රති-නෙළුම් ආචරණයක් (anti-lotus effect) මගින් නැනෝව්‍යුහ සංස්ලේෂණය ආදර්ශනය කර පේනවන ලදී. ලෙයිඩන්ෆ්රෝස්ට් ආචරණය වෙත ජ්‍යාත්‍යන්තර පර්යේෂණ ප්‍රජාවේ අවධානය යොමුවීමට ඇරඹුණේ මේ කාලයේ යයි මම සිතමි. මෙම ලෙයිඩන්ෆ්රෝස්ට් ආචරණය යොදාගෙන වායු ගෝලීය පීඩන තත්වයන් යටතේදී තුනී-නැනෝ-පටල තැන්පත් කිරීම ඇරඹු කියෝතෝ විශ්වවිද්‍යාලයේ පර්යේෂක උප කණ්ඩායම් සමග මම අතීතයේදී වැඩ කලෙමි. ඉහත කී ලෙයිඩන්ෆ්රෝස්ට් ආචරණය වෙත මගේ අවදානය යොමුවීමට ආසන්නතම හේතුව එයයි. අප මුලින්ම මෙම ලෙයිඩන්ෆ්රෝස්ට් ආචරණය ගැන වීඩියෝවක් නරඹමු.


1.  වීඩියෝව ලෙයිඩන්ෆ්රෝස්ට් ආචරණය ජලය යොදාගෙන ආදර්ශනය කිරීම.


1.  රූපය ලෙයිඩන්ෆ්රෝස්ට් ආචරණය ඇතිවන අකාරය විස්තර කෙරෙන රූපමය නිරූපණයක්.

වීඩියෝවේ දැක්වෙන ආකාරයට අඩු උෂ්ණත්වයක පවතින රත්වූ පෘෂ්ඨයකට සිසිල් ජලය වැක්කිරීමෙදී වන්නේ ජලය රත්වී වාෂ්ප වී සිදී යාමයි. නමුත් (ජලයේ තාපාංකයට  සාපේක්ෂව) අධික උෂ්ණත්වයකට රත් වූ පෘෂ්ඨයකට සිසිල් ජලය වක්කරන විට සිදුවන්නේ නෙළුම් කොලයක් මත සිදුවන ආකාරයට ජලය ගෝලීය හැඩති බින්දු වශයෙන් පැවතීමයි. ඊට හේතුව වන්නේ 1 රූපයේ දැක්වෙන ආකාරයට රත් වූ පෘෂ්ඨය සහ ජල බින්දුව අතර ඇතිවන වාෂ්ප ස්ථරය මත ජල බින්දුව රැදී සිටීමයි. මෙම වාෂ්ප ස්ථරය  මගින් ජල බින්දුව සහ රත්වූ පෘෂ්ඨය ස්පර්ශ වීම වලක්වන අතර එමගින් තාප සන්නයනය හීන වී ජල බින්දුව සිදී යාමද ප්‍රමාද කරයි. එමෙන්ම එකී අවස්ථාවේදී ඉහත කී ජල බින්දුව සුපිරි ජලභීතික පෘෂ්ඨයක් මත දී හැසිරෙන ආකාරයට හැසිරෙන අතර සම්පූර්ණයෙන්ම පාහේ ඝර්ශනයකින් තොරව රත්වූ  පෘෂ්ඨය මත ගමන් කරයි. උදුන මත තරමක් රත්කරන ලද ලෝහ බඳුනකට ජලය ස්වල්පයක් ඉසීමෙන් ඔබට නිවසේදී ලෙයිඩන්ෆ්රෝස්ට් බින්දු අත් හදා බැලීම කල හැකිය. ජලයට පමණක් නොව නයිට්‍රජන්, ඇමෝනියා වැනි ද්‍රව වලටද මෙම සංසිද්ධිය වලංගු වේ. කෙසේ වෙතත් පහසුවෙන් ගිනිගන්නා සුළු (ඔක්සිහාරක) ද්‍රවයන් මෙසේ යොදා ගැනීමට උත්සහ කිරීම අනතුරු දායක වේ.

1. රූපයේ දැක්වෙන ආකාරයට රත්වූ සුමට ලෝහ පෘෂ්ඨයකට ජලය වැටුන විට ජල බින්දුවට යටින් සෑදෙන ජලවාෂ්ප ස්ථරයේ අඩංගු වාෂ්ප සෑම දිශාවකින්ම පිටවී යන බැවින් ජල බින්දුව අහඹු ලෙස ගමන් කරයි. මෙම ජල වාෂ්ප එකම දිශාවකින් පිට වීමට සැලසීම උර්දවපාතන තාප එන්ජිමේ මුලධර්මයයි. මෙහිදී වාෂ්ප පිටවීම එක් දිශාවකට යොමු කිරීම සදහා දැති සහිත රැචට්ටු සහිත පෘෂ්ඨයක් භාවිත කෙරේ (2 රූපය). මෙහිදී වාෂ්ප ස්තරය මත පිහිටි ජල බින්දුවද වාෂ්ප ගමන් කරන දිශාවට ඇදී යාම සිදුවී. එය ඇත්තෙන්ම ගලායන දිය පහරක් මත පාවෙන රබර් බෝලයක් ජලය සමගම පහලට ඇදීයාම වැනි ක්‍රියාවකි.


2.  වීඩියෝව ලෙයිඩන්ෆ්රෝස්ට් උෂ්ණත්ව පාලකය ජලය යොදාගෙන ආදර්ශනය කිරීම.


2.  රූපය ලෙයිඩන්ෆ්රෝස්ට් ආචරණය මගින් ජල බින්දු එක දිශාවකට ගමන් කරවීම විස්තර කෙරෙන රූපමය නිරූපනයක්

මෙසේ, ජල බින්දු ගලා යාම මගින් ක්‍රියාත්මක වන උෂ්ණත්ව පාලකයක් (2. වීඩියෝව) බාත් විශ්විද්‍යාලයේ පර්යේෂක ආචාර්ය තකශිමා විසින් ඉදිරිපත් කරන ලදී. එම උෂ්ණත්ව පාලකය ක්‍රියාත්මක වීමට විදුලිය අවශ්‍ය නොවෙන අතර ජලය ගලායාම පාලනය මගින් ඇතිකරන ඍණ ප්‍රතිපෝෂණය මගින් උෂ්ණත්ව පාලකය ක්‍රියාත්මක වේ. ආචාර්ය තකශිමා වරක් මේ ගැන අදහස් දක්වමින් මෙවැනි උෂ්ණත්ව පාලකයකින් න්‍යෂ්ඨික බලාගාරයක උෂ්ණත්වය පාලනය කල හැකි නම් විදුලි බලය නොමැති වීමෙන් වියහැකි ෆුකුෂිමා බලාගාර අනතුර වැනි බරපතල අනතුරු වලක්වා ගත හැකි බවයි.


3.  වීඩියෝව උර්දවපාතන තාප එන්ජිම මගින් විදුලිය නිපදවීම වියලි අයිස් යොදාගෙන ආදර්ශනය කිරීම.

උර්දවපාතන තාප එන්ජිම සදහා වෘත්තාකාරව නිර්මාණය කරන ලද රැචට්ටු සහිත පෘෂ්ඨයක් යොදාගැනේ. එම පෘෂ්ඨය මගින් වාෂ්ප පිටවීම කෙන්ද්රාපසාරීව සිදු වන ලෙස යොමු කිරීම මගින් භ්රමණය වීමක් ඇති කිරීමෙන් ඉහත කි වාෂ්ප එන්ජිම ක්‍රියාත්මක වේ. කෙසේ වෙතත්, ජල බින්දු වල එම චලනය ප්‍රයෝජනවත් යාන්ත්‍රික ශක්තියක් ලෙස යොදාගැනීමට අපහසුය. එසේ ප්‍රයෝජනවත් යාන්ත්‍රික ශක්තියක් ඇති කරගැනීමට නම් කරකැවෙන කොටස් ඝන ද්‍රව්‍ය විය යුතුය. උර්දවපාතනය ලෙස හදුන්වන, ඝනයක් කෙලින්ම වායුවක් බවට පත්වීමේ ක්‍රියාවලිය මෙම එන්ජිමේ නිර්මාණයට වැදගත් වෙන්නේ මේ හේතුවෙනි. සුපිරිඅවධි තරල ගැන මීට පෙර ලිපියක දී සඳ වියමන් බ්ලොග් පිටුව ලියන්නිය මතු කල වියලි අයිස් (dry ice) හෙවත් මිදුන කාබන් ඩයොක්සයිඩ් මෙකී කාරණයට ඉතාම ගැලපෙන ද්‍රව්‍යයකි. වෘත්තාකාරව නිර්මාණය කරන ලද රැචට්ටු සහිත පෘෂ්ඨයක් මත වෘත්තාකාර වියලි අයිස් තැටියක් තැබීම මගින් උර්දවපාතන තා එන්ජිම ආදර්ශනය කරපෙන්වන අවස්ථාවක් 3 වීඩියෝවේ දැක්වේ.

(මගේ) නිගමනය
නේචර් කොමියුනිකේෂන් සඟරාවේ පළවූ මෙම පර්යේෂණය අපට නිවසේදී වුවද අත්හදා බැලිය හැකි තරමේ සරල එකකි. නව සොයාගැනීම් සහ නිර්මාණ වලට තාක්ෂණික බාධාවන් සෑම විටම එරෙහි නොවේ. උත්සාහය සහ නිර්මාණශීලිත්වය ඇතිනම් අපට තිබෙන පහසුකම් වලින් ලොවට වැඩදායක ඉහල පෙලේ නව නිර්මාණ සිදු කල හැකිය. මේ ඊට හොඳම උදාහරණයකි.

15 comments:

  1. ලිපිය නම් බොහොම වටිනවා.
    මේ වග දේවල් බ්ලොග් එකකින බෙදා ගැනීම බොහොම අගය කොට සලකනවා.

    මෙතනදී මට පන නගිච්ච ගැටළුවක් තියෙනවා.

    ඔබ පෙන්නලා තියෙන වීඩියෝ හැම එකකම වගේ ලෙයිඩන්ෆ්රෝස්ට් එෆෙක්ට් එක ඇති කරවන්න අධික උෂ්ණත්වයක් අවශ්‍ය වෙනවා.

    එතකොට මේ ක්‍රමයෙන් විදුලිය නිෂ්පාදනය කලත් ඒ වෙනුවෙන් නිර්මාණය කරන්න අවශ්‍ය අධික උෂ්ණත්වය වෙනුවෙන් නිෂ්පාදනය් කරන ශක්තියට වඩා ශක්තියක් වය වෙනවා නේද?

    ඒ ගැන පොඩි පැහැදිලි කිරීමක් කරන්න පුලුවන්ද?

    ReplyDelete
    Replies
    1. මිත්‍රයා,
      ඔබ බොහොම හරි. ඔබ මම ලියු දෙය කියවා ඇති බවත් ඔබ එය සම්පූර්ණයෙන්ම පාහේ තේරුම් ගෙන ඇති බවත් මට සිතෙනවා. ඒගැන බොහොම සතුටුයි.

      පරීක්ෂණය ආදර්ශනය කර පෙන්වන ආකාරයට විදුලිය යොදාගෙන තාපය නිපදවා නැවත ඒ තාපයම මේ එන්ජිම මගින් විදුලියට හැරවීම නම් කිසිම වැඩක් ඇති දෙයක් නොවෙයි. ඇත්තටම මෙහිදී කරන්නේ පරීක්ෂණය ආදර්ශනය කර පෙන්වීම පමණයි.

      මෙය සැබෑවට ප්‍රයෝජනවත් වෙන්න නම් අපි සූර්ය තාපය හෝ භූ ඝර්භ තාපය වැනි තාපයක් විදුලියට හරවන්න මේක යොදාගන්න ඕනේ. එහෙම නැති නම් වෙනත් ක්‍රමයකින් ශක්තිය නිපදවන විට අහක යන තාපය යොදාගෙන සංයුක්ත චක්‍රයක් (combined cycle) වැනි ක්‍රියාවලියක් යොදා ගන්න ඕනේ.

      පර්යේෂණ පත්‍රිකාවේ හැඳින්වීමේ 3වෙනි ඡේදයේ තිබෙන ආකාරයට, ඉන්ධන ගෙනයා නොහැකි ග්‍රහලෝක වැනි තැන්වල පවතින මිදුන CO2 වැනි ද්‍රව්‍ය උර්දවපතනය කර යාන්ත්‍රික ශක්තිය නිපදවීමට මෙම ක්‍රමය යොදාගත හැකියි බවයි අදහස් කරන්නේ.

      මෙම සංකල්පය ප්‍රයෝගික එන්ජිමක් ලෙස භාවිත කිරීමට පෙර තාක්ෂණික වශයෙන් බොහෝ දියුණු කරන්න වේවි.

      Delete
  2. මෙතන නිශ්පාදනය වෙන්නේ ඉතා අඩු ශක්තියක් නේද ?

    ReplyDelete
    Replies
    1. මිත්‍රයා,
      ඔවු හරියම හරි. මිලිවොට් ගණනක් පමණයි මෙතන ආදර්ශනය කරන ආකාරයට නම් ලැබෙන්නේ. නමුත් එය ගැටළුවක් නොවෙයි. එක සූර්ය කෝෂයකින් ලැබෙන්නෙත් එවැනි කුඩා විදුලි බලයක්. ඒවා බොහෝ එක්කර තැනු පැනලයකින් තමයි සැලකිය යුතු ශක්ති ප්‍රමාණයක් ගන්න පුළුවන් වෙන්නේ.

      මෙය යාන්ත්‍රික එන්ජිමක් ලෙස ක්‍රියාත්මක කරනවා නම් එවැනි එක් කිරීම් එතරම් ප්‍රයෝගික නොවෙන්නට ඉඩ තිබෙනවා. සීතලෙන් මිදුන ඝනයක් උර්දවපතනය කිරීමෙන් ශකිතිය නිපදවිය හැකි මුළුමනින්ම නවීන ක්‍රමයක් වීම තමයි මෙහි වැදගත් කම.

      මෙම සංකල්පය ප්‍රයෝගික එන්ජිමක් ලෙස භාවිත කිරීමට පෙර තාක්ෂණික වශයෙන් බොහෝ දියුණු කරන්න වේවි.

      නමුත්, මෙය සරල බවින් යුතු ඉතාම ඉහල මට්ටමේ සොයාගැනීමක් ලෙසයි අපි දකින්නේ.

      Delete
  3. https://www.youtube.com/watch?v=mrnul6ixX90

    ReplyDelete
    Replies
    1. ස්තුතියි දේශකයා. නිකොලා ටෙස්ලා කියන්නේ තුන් කල් දුටු, අනාගතයේ ජීවත් වුන විද්‍යාඥයෙක් සහ නිරමාණ කරුවෙක් කියලයි මම හිතන්නේ. මේ සබැඳියේ දැක්වෙන්නේත් අනාගතයේ නිර්මාණයක් විය හැකියි.

      Delete
  4. මෙතන වෙන්නෙත් හුලං මෝලකින් වෙන දේම නේද?
    රත්වූ තැටිය භ්‍රමනය වෙන ලෙස සකස්කර ඝන කාබන් ඩයොක්සයිඩ් කුට්ටියකට ස්පර්ශකලවිටත් ඕකම කරගන්න පුළුවන්ද?

    ReplyDelete
    Replies
    1. ඔවු සහ නැහැ.

      හුලන් මෝලක් සහ මෙම එන්ජිම කැරකෙන විදියේ සමහර සමාන ලක්ෂණ තිබෙනවා. සුලන් මෝලක් එන්ජිමක් ලෙස සාමාන්යෙන් හදුන්වන පද්ධතියක් විදියට ක්‍රියා කරන්නේ නැහැ. (එන්ජිමක තිබිය යුතු මුලික තාපගතික ලක්ෂණ පත්‍රිකාවේ 1 රූපයෙන් දැක්වෙනවා.)

      මෙම එන්ජිමේ රත්වූ වායු මගින් කරකැවීම මෙන්ම, ඝර්ෂණය අඩු වන ලෙස ඉහල පිහිටි ඝන තැටිය පාවීමට සැලැස්වීමත් සිදු කරනවා. අපි රත්වූ තැටිය ඉහලින් තැබුවහොත් බර වැඩි නිසා එය පාවීමට සලස්වන්න තරම් තෙරපුම් බලයක් ලබාගන්න අපහසු වෙන්නට පුළුවන්. කුඩා පරතරයක් පවතින ලෙස සවිකර බෙයාරින් වැනි ක්‍රමයකින් ඝර්ෂණය අඩුකලහොත් ඔබ කියන ආකාරයටත් කරකැවේවි යයි 90% ක පමණ විශ්වාසයක් මට තිබෙනවා.

      ඔබේ අගනා අදහස් දැක්වීමට ස්තුතියි. එය අලුත් දෙයක් සිතීමට අපවත් ධෛර්යමත් කළා.

      Delete
  5. කියෙව්වා.. මෙහෙම දේවලුත් තියනවානෙ කියල දැනගත්තා.. තවත් එහෙම අය ගොඩක් ඉන්න පුළුවන් කොමෙන්ට් නොදාන.ඒ ඔක්කොම වෙනුවෙන් මේ කොමෙන්ට් එක.. අපි ආසාවෙන් කියවනවා.
    ජයවේවා..!!

    ReplyDelete
  6. කියෙව්වා. නොදැන සිටි දෙයක් දැන ගත්තා ..ජයවේවා !!!

    ReplyDelete
  7. This comment has been removed by the author.

    ReplyDelete
  8. එතකොට තාපය ලැබෙන ප්‍රභව වලින්(භූතාපය,CSP වගෙ) විදුලිය නිපදවන කොට වාෂ්ප ටර්බයින් වලින් ජෙනරේටරයක් කරකැවීම වෙනුවට ,අර තාප ප්‍රභව වල උෂ්ණත්වයෙන් මේ ආචරණය යොදාගැනීමෙන් ජෙනරේටරයක් කරකැව්වොත් කොහොමද?

    ReplyDelete
    Replies
    1. Photo voltaic මගේ පර්යේෂණ කොටසක් නිසා ඒ ගැන මුලින් කියන්නම්.CSP ගත්විට solar thermal වලට වැඩිය හොඳින් Photo voltaic යොදා ගත හැකියි. CSV - Photo voltaic වල ගැටලුව වන්නේ රත්වීමෙන් ඇතිවෙන charge recombination යන්නයි. නමුත් multi quantum well-solar cellවැනි ඒවායේ එය පාලනය කල හැකි නිසා CSV-PV දී වඩා කාර්යක්ෂම බව මගේ අනුමානයි.

      ලේයිඩන්ෆ්රෝස්ට් උර්දවපාතන තාප එන්ජින් තවම සංකල්පයක් පර්යේෂන්තමකව තහවුරු කිරීමකට සීමා වන බව මගේ අදහසයි. එයට සුදුසු තාප ප්‍රභවයන් සෙවීම සහ එහි අනාගතය යාන්ත්‍රික ඉංජිනේරුවන් සතු විය හැකි බව මගේ අදහසයි. මම රසායන විද්‍යාඥයෙක් සහ නැනෝ ඉංජිනේරු විද්‍යාව පිලිබඳ පර්යේෂකයෙකි. එබැවින් එහි අනාගතය රඳා පවතින්නේ මගේ දැනුමට එහා ගිය විෂයක් තුලයි.

      පර්යේෂණ පත්‍රිකාවේ (open access) හැඳින්වීමේ 3වෙනි ඡේදයේ තිබෙන ආකාරයට, ඉන්ධන ගෙනයා නොහැකි ග්‍රහලෝක වැනි තැන්වල පවතින මිදුන CO2 වැනි ද්‍රව්‍ය උර්දවපතනය කර යාන්ත්‍රික ශක්තිය නිපදවීමට මෙම ක්‍රමය යොදාගත හැකියි බවයි අදහස් කරන්නේ.

      Delete

මගේ පරමාර්ථය තවත් අයෙකුට කියවීම සදහා ලිවීමයි. කියවන්නන්ගේ අදහස් දැනගැනීම ඔවුන් සදහා වඩාත් හොද ලියවිල්ලක් ලිවීමට මට හැකියාව ලබාදේ.