තාප විද්‍යුත්වේදය : තාපයෙන් බලශක්තිය නෙලා ගැනීම

හේතු ගණනාවක් සළකන විට ‘ගින්දර’ සොයා ගැනීම මානව වංශ කතාවේ සන්ධිස්ථානයක් සළකුණු කරන බව කිව හැකිය. අවශ්‍ය තැනකදී උණුසුම ලබා ගැනීමේ හැකියාව ගින්දර නිසා මිනිසාට ලැබිණ. ආලෝකය ද එලෙසමය. එමෙන්ම ගින්දර මිනිසාට ආරක්ෂාව ද සලසා දුණි. තවද අමුවෙන්ම ආහාරයට ගැනීමට වැඩි වශයෙන් පුරුදුව සිටි මිනිසාට ආහාර සැකසීමේ නව ක‍්‍රමයක් ගින්න නිසා ලැබිණ. ශක්තිය උපයෝගී කර ගැනීමේ ප‍්‍රයත්න ලෙස අනෙකුත් වැදගත් සොයා ගැනීම් වන්නේ, ජල රෝදය(water wheel )හා වාෂ්ප එන්ජිම සහ දහන එන්ජිමයි (combustion engine).

මේ සෑම ආකාරයකින්ම සිදු කෙරුනේ එක් ශක්ති ස්වරූපයකින් ශක්තිය තවත් ස්වරූපයකට හැරවීමයි. නිදසුනක් දක්වතොත්, පුරාණ ජල මෝල (water mills) ගලන ජලයේ ඇති චාලක ශක්තිය ධාන්‍ය ඇඹරීම සඳහා අවශ්‍ය චාලක ශක්තිය බවට පෙරළීය.

කෙසේ වෙතත් නූතන ජල රෝද වඩාත් සංකීර්ණ මෙන්ම කාර්යක්ෂමය. රෝද කැරකැවීම පමණක් සිදු කිරීම වෙනුවට, දියඇළි හෝ ජලාශ වල චාලක ශක්තිය යාන්ත‍්‍රික ශක්තිය බවට හැරවීම පිණිස ජල විදුලිබලාගාර යොදා ගන්නේ ටර්බයින් (turbines) හෙවත් තල බමරය. එසේ ලැබෙන යාන්ත‍්‍රික ශක්තිය අනතුරුව ජෙනරේටරයක් (ජනකයක්) මගින් ගබඩා කළ විදුලි ශක්තිය බවට පරිවර්තනය කෙරේ. මෙවන් ටර්බයින්, ජෙනරේටර් සහ බැටරි (විදුලි කෝෂ) වැනි තාක්ෂණික වැඩි දියුණු කිරීම් හෙවත් ඉදිරි පියවර මගින් අපේ ලෝකය සාර්වත්‍රවර්තී (එක විට සැම තැන ඇති) විදුලිමය යුගයකට ගෙන ආවේය. විදුලි බලය ගබඩා කිරීමේ සහ සම්පේ‍්‍රෂණය කිරීමේ තවත් ඉදිරි පිමි හේතුවෙන් නිවසට සැපයෙන විදුලිය, ගලන ජලය තරමටම සුලබ වී ඇත.

ලෝකය පුරාවට ශක්ති පරිවර්තනය කෙලෙස සිදු වුවත් ඒ සෑම අවස්ථාවකම පාහේ, ශක්ති පරිවර්තන ක‍්‍රියාදාමයේ දී ශක්ති හානියක් ඇතිවේ. සමහර ක‍්‍රියාදාමයන් හී දී සිදුවන හානිය තව වෙනත් ඒවාට වඩා වැඩිය. විදුලි බලය සැලකෙන්නේ ඉහළ ශ්‍රේණියේ නැතිනම් ඉහළ මට්ටමේ බලශක්තියක් ලෙසය. මන්ද එය භාවිත කිරීම  හා ගබඩා කිරීම සඳහා,  කැපී පෙනෙන හානියකින් තොර ආකාරයට වෙනත් ශක්ති ස්වරූපවලට පෙරළිය හැකි හෙයිනි. බලශක්ති ආවලිය ගතහොත් තාප ශක්තිය තිබෙන්නේ ආවලියේ අනෙක් කෙළවරෙහිය. එය අඩු ශ්‍රේණියේ බල ශක්තියකි. ඉන් හැඟී යන්නේ, තාපය වෙනත් ශක්ති ස්වරූපයකට පෙරළීම, සාමාන්‍යයෙන් වියදම් අධිකය. එමෙන්ම සාපේක්ෂව අකාර්යක්ෂමය. (කෙසේ වෙතත් මින් කැපී පෙනෙන ලෙස බැහැර වීමක් හෝ ව්‍යාතිරේකයක් ලෙස දැක්විය හැකි භූ තාප රත්කිරීම ලබා ගත හැක්කේ පෘථිවියේ ඇතැම් ප‍්‍රදේශවල දී පමණකි) බොහෝ විට සිදු වන්නේ, අපත තාපය(waste heat) ලෙස නම් කර තාප ශක්තිය වැඩි සැලකිල්ලක් නොදක්වා පරිසරයට මුදා හැර අමතක කර දැමීමයි.

තාප විද්‍යුත් වේදය (thermo-electrics), තාපය මෙන්ම විදුලිය යන ක්ෂේත‍්‍ර දෙකටම සම්බන්ධය. තාප විදුලි ද්‍රව්‍යයකින් තැනුනු අල්ලූවකට බැටරියක් සම්බන්ධ කිරීමෙන් (වෝල්ටීය අන්තරයක් යෙදීමෙන්) අල්ලූව උෂ්ණත්ව අනුක‍්‍රමණයක් නිපදවයි : එක පැත්තක් අනෙක් පසට වඩා උණුසුම් වෙයි. විලෝම වශයෙන් අල්ලූවේ එක් අන්තයක් රත් කිරීමෙන් හෝ සිසිල් කිරීමෙන් (උෂ්ණත්ව අනුක‍්‍රමණයක් යෙදීමෙන්) අල්ලූව මගින් විදුලි වෝල්ටීයතා අන්තරයක් නිපදවනු ඇත. තාපය එකතු කිරීමෙන් දැන් අල්ලූව බැටරියක් ලෙස ක‍්‍රියා කළ හැක. මින් පෙන්වන්නේ තාප විද්‍යුත් ශක්තියෙහි විභවයයි. සිරුරේ තාපයෙන් ජංගම දුරකතනයක් ආරෝපණය (charge a cell phone) කළ හැකි නම් ?

එහෙත් ගැටළුව වී ඇත්තේ ස්වාභාවික තාප විද්‍යුත් ද්‍රව්‍යය බෙහෙවින්ම දුර්ලභවීමය. ඇමරිකාවේ වයඹ දිග විශ්ව විද්‍යාලයේ  වුල්වර්ටන් පරීක්ෂණාගාරයේ  ජොනතන් ෆ්ලූගර් වැනි විද්‍යාඥයන් වෙහෙසෙන්නේ කෘතිම තාප විද්‍යුත් ද්‍රව්‍යය තැනීමටය. ‘‘අපි හොයන්නේ අධික ඉලෙක්ට්‍රෝන සන්නායකයක් සහිත එහෙත් අඩු තාප සන්නායකයක් ඇති ද්‍රව්‍යයක්.’’ ෆ්ලූගර් පවසයි. ස්වභාවිකව මින් එක ගුණාංගයක් ප‍්‍රදර්ශනය කරන ද්‍රව්‍යයක් ගෙන එහි අනෙක් ගුණාංගය බල ගැන්වීමටයි පර්යේෂකයන් බොහෝවිට වෙර දරන්නේ. මෙය කාලය මෙන්ම ශ‍්‍රමය අතින්ද වියදම් අධික ක‍්‍රියාවකි. මේ ක‍්‍රියාදාමය වේගවත් කරනු වස් ෆ්ලූගර් සුපිරි පරිගණක යොදා ගනිමින් වඩාත් යෝග්‍ය තාප විද්‍යුත් රසායනික සංයෝජන සෙවීමට වෙහෙසෙයි. තෝරා ගනු ලබන රසායන සංයෝජනයක ඉලෙක්ට්‍රෝන සන්නායකතාව (electron conductivity) හා තාප සන්නායකතාව(thermal conductivity) අතින් ගණනය කිරීම, පරමාණුවක භෞතික විද්‍යාත්මක සංකීර්ණතාව හේතුවෙන්,  කළ නොහැකි තරමට අසීරුය. එහෙත් පරමාණුවල කාල හා අවකාශ පරිමාණයෙන් සුපිරි පරිගණක හරහා විඩම්බනයක්(simulation)හෙවත් අනුකරණයක්      කළ හැකිය. වෙනත් සංකීර්ණ උපකරණ ද යොදා ගනිමින් ෆ්ලූගර් සහ පර්යේෂකයන් උත්සාහ දරන්නේ ද එය ඉටු කර ගැනීමටය. ඒ සමගම විඩම්බන ප‍්‍රතිඵල සැමවිටම සම්පරීක්ෂණ යොදා ගනිමින් සත්‍යාපනය කළ යුතුය.

සිය පර්යේෂණයෙහි සීමා ඇති බව ෆ්ලූගර් දනී. ‘‘මාර්ගය කටු කොහොලින් පිරිලා තියෙන්නේ. හානියට පත්වන සම්පූර්ණ තාපයෙන් 20% ක් වත් හසු කරගන්න පුළුවන් මට්ටමේ කාර්යක්ෂමතාවක් ඇති ද්‍රව්‍ය සෙවීම අසීරුයි.’’ ඔහු පෙන්වා දෙයි. දැනට දන්නා විද්‍යුත් තාප ද්‍රව්‍ය බහුතරය වඩාත් කාර්යක්ෂම සෙන්ටිගේ‍්‍රඞ් අංශක 300 ට අධික උෂ්ණත්වයක දීය. මානවයන් සාමාන්‍යයෙන් සෙන්ටිගේ‍්‍රඞ් අංශක 37ක් හා මෝටර් රථ එන්ජිමක් නම්  සෙන්ටිගේ‍්‍රඞ් අංශක 100 ක්‍ උෂ්ණත්වයක ද කටයුතු කරන නිසා, දැනට ඇති තාප විද්‍යුත් නෙලා ගැනීමේ ද්‍රව්‍ය පුද්ගලයන්ට හෝ වාහන එන්ජින්වලට හෝ  යෙදීම ප‍්‍රායෝගික නොවේ. කෙසේ වෙතත් සංවේදක, සිසිලන(coolers)  අපතේ යන ශක්තිය ප‍්‍රතිචක‍්‍රීකරණය වැනි විශාල කාර්මික භාවිතයක් සඳහා අඩු කාර්යක්ෂම තාප විද්‍යුත් ද්‍රව්‍ය යොදා ගැනීම එන්ට එන්ටම වැඩිවෙමින් පවතී. පහළ ශ්‍රේණියේ බලශක්තිය ඉහළ ශක්තිය බවට පෙරළීම ප‍්‍රබල අභියෝගයකි. ෆ්ලූගර් ඇතුළු පර්යේෂකයන් වෙහෙසෙන්නේ එම අභියෝගය සාර්ථකව ජය ගන්ටයි.

Helix Magazine (Northwestern University)  හි පළවූ Thermo-electrics: Harvesting Energy from Heat යන ලිපිය ඇසුරෙනි