विजया पंडित
आकाशात अब्जावधी वर्षांपासून तळपणारा सूर्य हा पृथ्वीवरील सर्व सजीवांसाठी ऊर्जेचा मुख्य स्रोत आहे. सूर्याच्या केंद्रभागात अखंड सुरू असणार्या अणुसंलयन प्रक्रियेमुळे ही प्रचंड ऊर्जा निर्माण होते. हीच प्रक्रिया पृथ्वीवर नियंत्रित स्वरूपात घडवून अमर्याद आणि स्वच्छ ऊर्जा मिळविण्याचे महास्वप्न वैज्ञानिक गेल्या अनेक दशकांपासून पाहत आहेत. याला 'कृत्रिम सूर्यनिर्मिती’ असे म्हटले जाते.
आकाशात अब्जावधी वर्षांपासून तळपणारा सूर्य ही पृथ्वीवरील जवळपास सर्व ऊर्जेची मूळ प्रेरणा आहे. वनस्पतींमध्ये घडणारी प्रकाश संश्लेषणाची प्रक्रियाही सूर्याविना घडू शकत नाही. सूर्य एवढी प्रचंड ऊर्जा निर्माण तरी कशी करतो आणि तीच प्रक्रिया पृथ्वीवर नियंत्रित स्वरूपात घडविता आली, तर काय होईल, या प्रश्नाने शास्त्रज्ञांना अनेक दशके झपाटले आहे. त्यातूनच ‘कृत्रिम सूर्य’ ही संकल्पना पुढे आली. प्रत्यक्षात हा नवा सूर्य तयार करण्याचा प्रयत्न नसून, सूर्याच्या केंद्रभागात अखंड सुरू असलेली अणुसंलयनाची प्रक्रिया पृथ्वीवरील यंत्रात नियंत्रितपणे घडवून तिच्यापासून ऊर्जा मिळविण्याचे हे महास्वप्न आहे. चीनसह अनेक देश या शर्यतीत असताना गुजरातमधील ‘इन्स्टिट्यूट फॉर प्लाझ्मा रिसर्च’मध्ये भारतीय शास्त्रज्ञांनीही या दिशेने महत्त्वाचे पाऊल टाकले आहे. आजच्या अणुऊर्जा प्रकल्पांमध्ये मुख्यतः अणुविखंडनाची पद्धती वापरली जाते. यामध्ये युरेनियमसारख्या जड अणूच्या केंद्रकाचे विभाजन करून ऊर्जा मिळविली जाते. अणुसंलयन म्हणजेच ‘न्यूक्लियर फ्यूजन’मध्ये नेमकी उलटी प्रक्रिया घडते. हायड्रोजनसारख्या हलक्या मूलद्रव्यांची केंद्रके एकत्र येऊन अधिक जड केंद्रक तयार करतात तेव्हा या प्रक्रियेत प्रचंड ऊर्जा मुक्त होते. सूर्याच्या केंद्रभागात ही प्रक्रिया सातत्याने सुरू आहे. तेथील प्रचंड तापमान आणि दाबामुळे हायड्रोजनच्या केंद्रकांचे संलयन होऊन हेलियम तयार होतो. त्यातून मुक्त होणारी ऊर्जा प्रकाश आणि उष्णतेच्या स्वरूपात बाहेर पडते. पृथ्वीवर मात्र सूर्याच्या केंद्रभागासारखा प्रचंड गुरुत्वीय दाब उपलब्ध नाही. त्यामुळे अणुसंलयन घडविण्यासाठी वैज्ञानिकांना पदार्थाचे तापमान अत्यंत उच्च पातळीवर न्यावे लागते. याच पातळीवर ‘कृत्रिम सूर्य’ तयार करण्यातील खरी अडचण सुरू होते.
प्लाझ्मा म्हणजे काय? : पदार्थाच्या घन, द्रव आणि वायू या तीन अवस्था आपल्याला परिचित आहेत. प्लाझ्माला पदार्थाची चौथी अवस्था म्हटले जाते. एखाद्या वायूला अत्यंत उच्च तापमानापर्यंत तापविले की, त्यातील अणूंमधून इलेक्ट्रॉन वेगळे होऊ लागतात. त्यामुळे धनभारित आयन आणि मुक्त इलेक्ट्रॉन यांचे अतिउष्ण, विद्युतभारित मिश्रण तयार होते. हीच प्लाझ्मा अवस्था. अणुसंलयनासाठी हाच प्लाझ्मा अत्यंत महत्त्वाचा असतो. मात्र कोट्यवधी अंश सेल्सिअस तापमान असलेल्या प्लाझ्माला साध्या भांड्यात ठेवता येत नाही; तो रिअॅक्टरच्या आतील भिंतीच्या थेट संपर्कात आला, तर यंत्रणेचे नुकसान होऊ शकते आणि प्लाझ्माचे तापमानही झपाट्याने कमी होऊ शकते. म्हणूनच शास्त्रज्ञांना अतिशय शक्तिशाली चुंबकीय क्षेत्राच्या मदतीने प्लाझ्माला रिअॅक्टरच्या भिंतींपासून दूर ठेवावे लागते. गुजरातमधील ‘इन्स्टिट्यूट फॉर प्लाझ्मा रिसर्च’मध्ये भारताचे ‘एसएसटी-१’ अर्थात ‘स्टेडी स्टेट सुपरकंडक्टिंग टोकामाक’ कार्यरत आहे. डोनटसारखा आकार असलेल्या या यंत्रात शक्तिशाली चुंबकीय क्षेत्राच्या मदतीने अतिउष्ण प्लाझ्माला नियंत्रित ठेवण्याचे प्रयोग केले जातात. भारतीय शास्त्रज्ञांनी आता एसएसटी-१मध्ये ८२.६ गिगाहर्ट्झ क्षमतेची शक्तिशाली ‘जायरोट्रॉन’ यंत्रणा कार्यान्वित केली आहे. ही यंत्रणा उच्च वारंवारतेची मायक्रोवेव्ह ऊर्जा निर्माण करते. ही ऊर्जा प्लाझ्मापर्यंत पोहोचवून त्याला आवश्यक अत्युच्च तापमानापर्यंत नेणे आणि ते तापमान टिकवून ठेवणे शक्य होते.
अणुसंलयनाच्या प्रयोगात केवळ अतिउच्च तापमान निर्माण करून भागत नाही. ते तापमान आणि प्लाझ्माची स्थिर अवस्था पुरेशा काळासाठी टिकवून ठेवणे ही त्याहून कठीण कसोटी आहे. नव्या जायरोट्रॉन यंत्रणेमुळे भारतीय शास्त्रज्ञांना अतिउष्ण प्लाझ्माचा अधिक काळ अभ्यास करता येईल. भविष्यातील संलयन ऊर्जेसाठी ही बाब महत्त्वाची ठरते. भारतीय शास्त्रज्ञांनी अणुसंलयनाशी संबंधित प्रयोगांमध्ये यापूर्वी २० कोटी अंश सेल्सिअसपेक्षाही अधिक प्लाझ्मा तापमान गाठले आहे. सूर्याच्या केंद्रभागातील तापमानाच्या तुलनेत हे अनेक पटींनी अधिक आहे. पहिल्या नजरेत हा विरोधाभास वाटू शकतो. सूर्यापेक्षा अधिक तापमान पृथ्वीवर का आवश्यक आहे, याचे उत्तर दाबामध्ये आहे. सूर्याच्या प्रचंड वस्तुमानामुळे त्याच्या केंद्रभागात अतिशय मोठा दाब निर्माण होतो. त्यामुळे तुलनेने कमी तापमानातही संलयनाची प्रक्रिया सुरू राहू शकते. पृथ्वीवरील प्रयोगशाळेत तसा गुरुत्वीय दाब निर्माण करणे शक्य नसल्यामुळे त्याची भरपाई अत्यंत उच्च तापमानाने करावी लागते; मात्र २० कोटी अंश तापमानाचा आकडा गाठणे म्हणजे फ्यूजन वीज प्रकल्प तयार झाला, असा अर्थ होत नाही. तापमान, प्लाझ्माची घनता आणि तो किती काळ स्थिर राहतो या घटकांचा योग्य मेळ साधावा लागतो. शिवाय संपूर्ण प्रक्रियेत खर्च केलेल्या ऊर्जेपेक्षा अधिक वापरण्यायोग्य ऊर्जा सातत्याने मिळविणे, ती उष्णतेच्या स्वरूपात बाहेर काढणे आणि अखेर तिच्यापासून व्यावसायिकरीत्या वीज निर्माण करणे ही पुढची मोठी आव्हाने आहेत.
फ्यूजनची एवढी ओढ का? : आता प्रश्न उरतो तो म्हणजे, जग अणुसंलयनाच्या मागे एवढी प्रचंड वैज्ञानिक आणि आर्थिक ताकद का लावत आहे? याचे कारण, त्याच्या संभाव्य फायद्यांत दडले आहे. जगाची ऊर्जेची गरज सातत्याने वाढत आहे. दुसरीकडे कोळसा, तेल आणि नैसर्गिक वायूवरील अवलंबित्वामुळे हवामान बदलाचे संकट तीव्र होत आहे. सौर आणि पवन ऊर्जेचा विस्तार वेगाने होत असला, तरी त्यांच्या उपलब्धतेत चढ-उतार होतात. अशा परिस्थितीत मोठ्या प्रमाणावर सातत्याने आणि कमी कार्बन उत्सर्जनासह ऊर्जा देऊ शकणार्या पर्यायांचा शोध सुरू आहे. फ्यूजन यशस्वी झाल्यास त्यासाठी आवश्यक असलेल्या इंधनाचे स्रोत तुलनेने मुबलक उपलब्ध होऊ शकतात. अणुविखंडनाच्या तुलनेत दीर्घकाळ टिकणार्या उच्चस्तरीय किरणोत्सर्गी कचर्याचा प्रश्नही वेगळ्या आणि तुलनेने कमी स्वरूपाचा असू शकतो. शिवाय अणुविखंडनातील साखळी अभिक्रियेसारखी प्रक्रिया फ्यूजनमध्ये नसल्यामुळे त्याची सुरक्षितता वेगळ्या स्वरूपाची आहे. याचा अर्थ फ्यूजन पूर्णतः समस्यामुक्त आहे, असा मात्र नाही. न्यूट्रॉनमुळे रिअॅक्टरमधील पदार्थांचे होणारे नुकसान, ट्रिटियमसारख्या इंधनाची हाताळणी, अत्यंत खर्चिक चुंबकीय यंत्रणा आणि प्रत्यक्ष वीज उत्पादनाची आर्थिक व्यवहार्यता ही मोठी आव्हाने अजूनही आहेत.
चीनची झेप, जगाची स्पर्धा : भारत एकटाच या शोधात नाही. चीनने आपल्या ‘कृत्रिम सूर्य’ कार्यक्रमात मोठी गुंतवणूक केली आहे. अत्यंत शक्तिशाली सुपरकंडक्टिंग चुंबकांपासून टोकामाक प्रयोगांपर्यंत चीन वेगाने पुढे जात आहे. अमेरिका, युरोप, जपान, दक्षिण कोरिया आणि अन्य देशांमध्येही अणुसंलयनावर मोठ्या प्रमाणावर संशोधन सुरू आहे. या जागतिक प्रयत्नांचा सर्वांत महत्त्वाचा भाग म्हणजे ‘आयटीईआर’ हा आंतरराष्ट्रीय फ्यूजन प्रकल्प. फ्रान्समध्ये उभारण्यात येत असलेल्या या महाप्रकल्पात भारतही सहभागी आहे. अणुसंलयनाचे वैज्ञानिक तत्त्व प्रत्यक्ष मोठ्या प्रमाणावर ऊर्जानिर्मितीसाठी कितपत वापरता येईल, हे सिद्ध करण्याच्या दिशेने हा जगातील सर्वांत महत्त्वाकांक्षी प्रयोगांपैकी एक आहे. त्यामुळे गुजरातमधील एसएसटी-१कडे स्वतंत्र प्रयोग म्हणून पाहून चालणार नाही. फ्यूजन तंत्रज्ञानासाठी लागणारे प्लाझ्मा भौतिकशास्त्र, सुपरकंडक्टिंग चुंबक, मायक्रोवेव्ह हीटिंग आणि अत्याधुनिक अभियांत्रिकी यामध्ये देशांतर्गत क्षमता निर्माण करण्याच्या व्यापक प्रयत्नांचा तो भाग आहे.
अर्थात, एसएसटी-१ उद्या एखाद्या वीज प्रकल्पात बदलून घराघरांत वीज पोहोचविणार नाही. नवे जायरोट्रॉन कार्यान्वित झाल्यामुळे फ्यूजनमधून अमर्याद वीज मिळण्याचा प्रश्नही लगेच सुटलेला नाही. या तंत्रज्ञानाला व्यावसायिक पातळीवर पोहोचण्यासाठी अजून अनेक वैज्ञानिक आणि अभियांत्रिकी अडथळे पार करावे लागणार आहेत, तरीही प्रत्येक मोठी वैज्ञानिक झेप अशाच छोट्या वाटणार्या टप्प्यांमधूनच पुढे जाते. शंभर-दोनशे वर्षांपूर्वी सूर्याची ऊर्जा पृथ्वीवर निर्माण करण्याची कल्पनाच अशक्य वाटली असती. आज माणूस प्रयोगशाळेत सूर्याच्या केंद्रापेक्षाही अधिक तापमानाचा प्लाझ्मा तयार करीत आहे आणि शक्तिशाली चुंबकीय क्षेत्रात त्याला नियंत्रित ठेवण्याचा प्रयत्न करीत आहे. ते साध्य झाले, तर औद्योगिक क्रांतीनंतर मानवाने ऊर्जेच्या क्षेत्रात घेतलेल्या सर्वांत मोठ्या भरार्यांपैकी ती एक ठरू शकेल.
