Hydrogen cryomagnetics
हाइड्रोजन क्रायोमैग्नेटिक्स एक शब्द है जिसका उपयोग विद्युत चुंबक के वाइंडिंग को ठंडा करने के लिए क्रायोजेनिक तरल हाइड्रोजन के उपयोग को दर्शाने के लिए किया जाता है। हाइड्रोजन क्रायोमैग्नेटिक्स का एक प्रमुख लाभ यह है कि कम तापमान वाले तरल हाइड्रोजन को विद्युत चुंबक वाइंडिंग को ठंडा करने के लिए एक क्रायोजेन के रूप में और एक ऊर्जा वाहक के रूप में एक साथ तैनात किया जा सकता है। अर्थात्, शक्तिशाली सहक्रियात्मक लाभ उत्पन्न होने की संभावना है जब हाइड्रोजन का उपयोग ईंधन के रूप में और शीतलक के रूप में किया जाता है। ईंधन/शीतलक समन्वय के बिना भी, हाइड्रोजन क्रायोमैग्नेटिक्स अतिचालक विद्युत चुंबकों को ठंडा करने के लिए एक आकर्षक विकल्प है क्योंकि यह तेजी से दुर्लभ और महंगे तरल हीलियम पर निर्भरता को समाप्त करता है। हाइड्रोजन क्रायोमैग्नेटिक अनुप्रयोगों के लिए विशेषज्ञ हाइड्रोजन-कूल्ड विद्युत चुंबकों को तांबे या सुपरकंडक्टर्स का उपयोग करके घाव किया जाता है। तरल-हाइड्रोजन-ठंडा तांबा-घाव चुंबक स्पंदित क्षेत्र चुंबक के रूप में अच्छी तरह से काम करते हैं। सुपरकंडक्टर्स में यह गुण होता है कि वे लगातार और बहुत कुशलता से काम कर सकते हैं क्योंकि विद्युत प्रतिरोधी नुकसान से लगभग पूरी तरह से बचा जा सकता है। आम तौर पर "हाइड्रोजन क्रायोमैग्नेटिक्स" शब्द का उपयोग विद्युत चुंबक वाइंडिंग में उच्च तापमान सुपरकंडक्टिविटी को सक्षम करने के लिए प्रत्यक्ष या अप्रत्यक्ष रूप से क्रायोजेनिक तरल हाइड्रोजन के उपयोग को दर्शाने के लिए किया जाता है। हाइड्रोजन क्रायोमैग्नेटिक्स विशेष रूप से उपयोगी है जहां उच्च चुंबकीय क्षेत्रों की आवश्यकता होती है, जैसे कि उच्च टोक़ विद्युत मोटरों में। वायुमंडलीय दबाव पर तरल हाइड्रोजन लगभग 20.3 केल्विन (-259.3 डिग्री सेल्सियस) पर उबलता है। इस तरह के तापमान पर तरल हाइड्रोजन उस तापमान की तुलना में काफी ठंडा होता है जिस पर यट्रियम बेरियम कॉपर ऑक्साइड (वाईबीसीओ) सहित महत्वपूर्ण उच्च तापमान सुपरकंडक्टर्स की एक श्रृंखला में सुपरकंडक्टिविटी को पहले प्रेरित किया जा सकता है, क्योंकि वाईबीसीओ में 93 के का सुपरकंडक्टिंग ट्रांजिशन तापमान (टीसी) होता है। वाई. बी. सी. ओ. के सामग्री गुण ऐसे हैं कि इसे नमनीय तारों में नहीं बनाया जा सकता है, हालांकि तारों के बजाय टेप के उपयोग के आधार पर उच्च क्षेत्र वाले वाई. बी. सी. ओ. विद्युत चुंबक की दिशा में बहुत प्रगति की गई है। हाइड्रोजन क्रायोमैग्नेटिक उपयोग के लिए उपयुक्त एक अन्य सुपरकंडक्टर मैग्नीशियम डाइबोराइड है। मैग्नीशियम डाइबोराइड एक पारंपरिक सुपरकंडक्टर है और इसे लचीले तारों में तैयार किया जा सकता है, जो इसके संभावित अनुप्रयोग को सुविधाजनक बनाता है, उदाहरण के लिए, टोकमक संलयन रिएक्टर। मैग्नीशियम डाइबोराइड का संक्रमण तापमान 39 केल्विन होता है, जबकि वायुमंडलीय दबाव पर तरल हाइड्रोजन मैग्नीशियम डाइबोराइड को अतिचालक अवस्था में ठंडा करने के लिए पर्याप्त ठंडा होता है, हाइड्रोजन पर पंप करने के फायदे हैं ताकि इस तरह के चुंबक वाइंडिंग का उपयोग करते समय इसके तापमान को और भी कम किया जा सके (यह उसी भौतिकी का उपयोग करता है जो कहता है कि तरल के ऊपर के दबाव को कम करके पानी के बोइंग बिंदु को कम किया जा सकता है, उदाहरण के लिए देखें)। आम तौर पर चालक तापमान और सुपरकंडक्टिंग संक्रमण तापमान के बीच का अंतर जितना अधिक होगा उतना ही बेहतर होगा। तरल हाइड्रोजन क्रायोजेनिक रूप से चुंबक को ठंडा करने का एकमात्र तरीका नहीं है, वास्तव में पारंपरिक रूप से सुपरकंडक्टर्स को तरल हीलियम का उपयोग करके 4.2K पर ठंडा किया जाता है और पारंपरिक कंडक्टर स्पंदित चुंबकों (तांबे सहित) के लिए तरल नाइट्रोजन पर 77K पर सबसे अधिक ध्यान दिया गया है। तरल हाइड्रोजन से तरल नाइट्रोजन की तुलना में बेहतर प्रदर्शन की उम्मीद की जा सकती है और जैसा कि नीचे चर्चा की गई है, तरल हाइड्रोजन हीलियम की उपलब्धता के बारे में कई चिंताओं से बचता है। हाइड्रोजन क्रायोमैग्नेटिक्स के किसी भी उपयोग के लिए हाइड्रोजन सुरक्षा पर सावधानीपूर्वक विचार करने की आवश्यकता होती है। हाइड्रोजन क्रायोमैग्नेटिक्स एक अवधारणा है जो बिजली संयंत्र टर्बाइनों में शीतलक के रूप में उच्च तापमान वाले गैसीय हाइड्रोजन के उपयोग से अलग है। हाइड्रोजन क्रायोमैग्नेटिक्स शब्द का उपयोग पहली बार प्रोफेसर डब्ल्यू. जे. नटल और प्रोफेसर बी. ए. ग्लोवाकी द्वारा जुलाई 2008 में न्यूक्लियर इंजीनियरिंग इंटरनेशनल में प्रकाशित एक लेख के हिस्से के रूप में एक टेक्स्ट पैनल में किया गया था। अप्रैल 2010 में मैनचेस्टर इंग्लैंड में आयोजित भौतिकी संस्थान सम्मेलन में इस अवधारणा को वापस कर दिया गया था। प्रस्तुति प्रोफेसर डब्ल्यू. जे. नट्टल द्वारा दी गई थी और प्रोफेसर बी. ए. ग्लोवाकी और डॉ. एल. ब्रोमबर्ग द्वारा सह-लेखन किया गया था। इस शब्द की यात्रा में हाइड्रोजन के बारे में एक ईंधन के रूप में और एक शीतलक के रूप में सोचना भी शामिल था-अतिचालकता के दृष्टिकोण से। क्रायोजेनिक शीतलक के रूप में तरल हाइड्रोजन के पहले संबंधित विचार में ग्लोवाकी और सह-लेखकों द्वारा 2005 और 2006 से काम शामिल है। 2012, 2015 और 2019 में हाइड्रोजन क्रायोमैग्नेटिक्स की अवधारणा पर और विस्तार से चर्चा की गई है। विशेषताएँ हाइड्रोजन क्रायोमैग्नेटिक्स के उद्भव से तरल हाइड्रोजन में मजबूत औद्योगिक रुचि के विकास से लाभ होने की उम्मीद की जा सकती है, जिसके अन्य कारणों से होने की उम्मीद की जा सकती है, जिसमें सामान्य हाइड्रोजन अर्थव्यवस्था का विकास और थोक हाइड्रोजन के परिवहन और भंडारण की आवश्यकता शामिल है। हाइड्रोजन अर्थव्यवस्था के उदय में वैश्विक रुचि बढ़ रही है जिसमें हाइड्रोजन एक कम कार्बन ऊर्जा वाहक है जो नवीकरणीय (हरित हाइड्रोजन) या वैकल्पिक रूप से कार्बन ग्रहण और भंडारण के साथ प्राकृतिक गैस से प्राप्त होता है (इसे कभी-कभी "नीला हाइड्रोजन" कहा जाता है)। जब पाइपलाइन उपलब्ध न हो। हाइड्रोजन अणुओं के थोक परिवहन और वितरण के लिए तरलीकृत हाइड्रोजन का उपयोग बड़ी दूरी पर बड़ी मात्रा में स्थानांतरित करते समय उच्च दबाव वाले गैस सिलेंडरों की तुलना में अधिक कुशल पाया गया है। हाइड्रोजन (तरल या गैस के रूप में) विद्युत बैटरी प्रौद्योगिकी के साथ प्रतिस्पर्धा में एक ऊर्जा भंडारण प्रणाली है। सबसे लंबी अवधि में संग्रहीत ऊर्जा की सबसे बड़ी मात्रा के लिए हाइड्रोजन बैटरियों पर जीत हासिल करता है। हाइड्रोजन ईंधन सेल परिवहन के सबसे भारी रूपों के लिए बैटरी विद्युत प्रौद्योगिकियों पर जीत हासिल करते हैं-जैसे कि ट्रेनें, ट्रक और बसें-हाइड्रोजन प्रौद्योगिकी बैटरी प्रौद्योगिकी के साथ प्रतिस्पर्धा में है और गैसीय हाइड्रोजन प्रौद्योगिकी तरल हाइड्रोजन प्रौद्योगिकी के साथ प्रतिस्पर्धा में है। जैसे-जैसे ये प्रतिस्पर्धी ताकतें भुगतान करती हैं, यह काफी संभव है कि तरल हाइड्रोजन के लिए एक स्थिर दीर्घकालिक और बड़े पैमाने पर ऊर्जा भंडारण प्रणाली और भारी वाहनों के लिए ईंधन प्रणाली के रूप में एक महत्वपूर्ण भूमिका उभरेगी। ऐसे परिदृश्यों में, तरल हाइड्रोजन उत्पादन और वितरण की उभरती आर्थिक भूमिका से क्रायोमैग्नेटिक अनुप्रयोगों में हाइड्रोजन के बाद के उपयोग का बहुत समर्थन होने की उम्मीद की जा सकती है। हीलियम की समस्याओं से बचना सुपरकंडक्टिंग मैग्नेट को ठंडा करने का पारंपरिक तरीका तरल हीलियम (वायुमंडलीय दबाव क्वथनांक 4.2K) का उपयोग करना है। हीलियम वर्तमान प्राकृतिक गैस उद्योग का एक उप-उत्पाद है और इसकी उतार-चढ़ाव वाली कीमत और उपलब्धता हाल के वर्षों में बहुत चिंता का कारण रही है। उपयोग की बेहतर दक्षता और अपशिष्ट से बचने से हीलियम की आपूर्ति बढ़ने की उम्मीद की जा सकती है। यदि नेट-ज़ीरो की यात्रा में प्राकृतिक गैस को चरणबद्ध तरीके से समाप्त किया जाना है तो आगे प्राकृतिक गैस से प्राप्त हीलियम के जारी रहने की उम्मीद नहीं की जा सकती है। उन हीलियम क्षेत्रों का उपयोग करने की आवश्यकता है जो ऐसा करने के लिए हीलियम से दूर स्थानापन्न हो सकते हैं। वे उपयोगकर्ता जो सुरक्षित रूप से हाइड्रोजन क्रायोमैग्नेटिक्स पर स्विच कर सकते थे, वे परिचालन लागत में महत्वपूर्ण कमी देख सकते थे और हीलियम आपूर्ति की कमी से जुड़े जोखिमों से बच सकते थे। बेहतर विद्युत मोटर बीसवीं शताब्दी में प्रमुख प्रकार की विद्युत मोटर एक प्रेरण मोटर थी जिसमें आवश्यक आंतरिक चुंबकीय क्षेत्रों को उत्पन्न करने के लिए तांबे के तार के कुंडल का उपयोग किया जाता था। हाल ही में, और आंशिक रूप से बैटरी इलेक्ट्रिक वाहनों में वृद्धि से प्रेरित होकर, स्थायी चुंबक मोटरों में बहुत नवाचार हुआ है। ये दुर्लभ पृथ्वी खनिजों पर निर्भर उच्च क्षेत्र स्थायी चुंबक पर निर्भर करते हैं। हाइड्रोजन क्रायोमैग्नेटिक्स लगभग 20K पर तरल हाइड्रोजन द्वारा ठंडा किए गए सुपरकंडक्टिंग इंडक्शन मोटर्स की संभावना प्रदान करता है। यदि उच्च शुद्धता वाले हाइड्रोजन का उपयोग ऑन-बोर्ड ईंधन सेल बिजली उत्पादन के लिए किया जाता है तो ऐसा क्रायोजेनिक तरल वाहन (जैसे कि हवाई जहाज, ट्रेन, ट्रक, बस या यहां तक कि कार) पर उपलब्ध हो सकता है। तरल हाइड्रोजन-उच्च शुद्धता वाले हाइड्रोजन का एक स्रोत तरल हाइड्रोजन के टैंक से निकलने वाली गैस के अत्यंत शुद्ध और स्वच्छ होने की उम्मीद की जा सकती है। एक तरह से तरल हाइड्रोजन का आसवन किया गया है। उदाहरण के लिए, ईंधन कोशिका विद्युत वाहनों का विस्तारित संचालन, ईंधन कोशिका झिल्ली और उत्प्रेरक को संदूषण से बचाने की आवश्यकता पर निर्भर करता है। उपयोग में ईंधन कोशिका क्षरण के कई कारण हो सकते हैं, लेकिन फिर भी ईंधन की शुद्धता (सामान्य परिस्थितियों में और ईंधन भरने वाले उपकरण की विफलता के मामले में) उच्च दबाव वाले हाइड्रोजन गैस प्रबंधन पर निर्भर किसी भी प्रणाली के लिए एक प्रमुख चिंता का विषय होने की उम्मीद की जा सकती है। संभावित अनुप्रयोग 2022 में मोजराड और सहकर्मियों द्वारा हाइड्रोजन क्रायोमैग्नेटिक्स के विभिन्न संभावित अनुप्रयोगों की समीक्षा की गई है। कुछ संभावित अनुप्रयोग नीचे सूचीबद्ध हैं। संलयन ऊर्जा अनुप्रयुक्त हाइड्रोजन क्रायोमैग्नेटिक्स की अवधारणा पहली बार चुंबकीय रूप से सीमित परमाणु संलयन के संबंध में उभरी। डब्ल्यू. जे. नट्टल ने 2004 में प्रस्ताव दिया था कि संलयन ऊर्जा का व्यावसायीकरण बिजली के बजाय अंतर्राष्ट्रीय तेल कंपनियों के माध्यम से हो सकता है। तकनीकी और आर्थिक कारणों से संलयन ऊर्जा आज की तरलीकृत प्राकृतिक गैस अर्थव्यवस्था की याद दिलाने वाले तरीकों से हाइड्रोजन अर्थव्यवस्था के लिए तरल हाइड्रोजन का उत्पादन करने का एक व्यवहार्य साधन हो सकता है। पारंपरिक टोकमक संलयन के लिए सुपरकंडक्टिंग मैग्नेट को ठंडा करने के लिए बहुत बड़ी मात्रा में महंगे और दुर्लभ तरल हीलियम की आवश्यकता होती है। तरल हीलियम पारंपरिक प्रतिमान में एक प्रमुख उपभोग्य है। आज की अंतर्राष्ट्रीय तेल कंपनियों में से एक के स्वामित्व वाली भविष्य की संलयन सुविधा में तरल हाइड्रोजन की संभावित प्रचुरता को देखते हुए हीलियम पर निर्भरता को तोड़ने में मदद करने के लिए क्रायोजेनिक हाइड्रोजन का उपयोग करना स्वाभाविक प्रतीत होगा। हाइड्रोजन क्रायोमैग्नेटिक्स में टोकमक संलयन ऊर्जा को सुविधाजनक बनाने की क्षमता है। ये विचार डब्ल्यू. जे. नट्टल, बी. ए. ग्लोवाकी और आर. एच. क्लार्क द्वारा विकसित 'फ्यूजन आइलैंड' के रूप में जानी जाने वाली अवधारणा के रूप में एक साथ आए। फ्यूजन द्वीप अवधारणा को 2008 और 2021 में आगे रेखांकित किया गया था। मैसाचुसेट्स में राष्ट्रमंडल संलयन प्रणाली सक्रिय रूप से तरल हाइड्रोजन तापमान तक ठंडा सुपरकंडक्टिंग चुंबक प्रौद्योगिकियों की खोज कर रही है। हाइड्रोजन क्रायोमैग्नेटिक्स के लिए विमानन एक और महत्वपूर्ण अवसर कम उत्सर्जन वाले विमानन में निहित है। एयरबस, रोल्स-रॉयस और सहयोगी विमान प्रणोदन में तरल हाइड्रोजन के उपयोग में अग्रणी रहे हैं। अप्रैल 2021 में विमानन सप्ताह में लिखते हुए, थिएरी डुबोइस ने कहाः "एयरबस ने सुपरकंडक्टिंग तकनीक के उपयोग के लिए एक महत्वाकांक्षी प्रदर्शन कार्यक्रम शुरू किया है। इसका उद्देश्य दक्षता में एक बड़ा सुधार करना है। यह विचार पारंपरिक तारों के साथ एक विद्युत-प्रणोदन वास्तुकला को डिजाइन करने की कठिनाई और ठंडे स्रोत के रूप में तरल हाइड्रोजन का उपयोग करने के अवसर दोनों से उपजा है। अतिचालक सामग्री के लिए क्रायोजेनिक तापमान की आवश्यकता होती है। हाइड्रोजन क्रायोमैग्नेटिक्स उच्च दक्षता पर प्रोपेलर या डक्टेड पंखों को चलाने में सक्षम उच्च टोक़ एचटीएस आधारित विद्युत मोटरों को चलाने के लिए बिजली उत्पन्न करने के लिए हाइड्रोजन ईंधन सेल प्रौद्योगिकी के विमान उपयोग की अनुमति देता है। यूरोपीय संघ द्वारा वित्त पोषित उन्नत सुपरकंडक्टिंग मोटर प्रायोगिक प्रदर्शक (ए. एस. यू. एम. ई. डी.) कार्यक्रम, 20 कि. वा./कि. ग्रा. के शक्ति-से-वजन अनुपात के साथ 99 प्रतिशत कुशल सुपरकंडक्टिंग विमान इंजन पर काम कर रहा है। मास्को एविएशन इंस्टीट्यूट के शोधकर्ताओं ने 5 मेगावाट हाइड्रोजन क्रायोमैग्नेटिक एयरो इंजन के लिए एक डिजाइन का प्रस्ताव दिया है। हाइड्रोजन क्रायोमैग्नेटिक सुपरकंडक्टिंग इंडक्शन मोटर्स के उपयोग से प्राप्त होने वाले लाभों से पहले ही हाइड्रोजन भविष्य के कम उत्सर्जन वाले विमानन ईंधन के रूप में बहुत रुचि आकर्षित कर रहा है। वैश्विक विमानन में अन्य प्रमुख औद्योगिक चिंताओं की तरह एयरबस का भी एक सक्रिय हाइड्रोजन कार्यक्रम है। धातु प्रसंस्करण उद्योग हाइड्रोजन क्रायोमैग्नेटिक्स का स्वीडन में एसएसएबी द्वारा अग्रणी उभरते कम उत्सर्जन वाले इस्पात उद्योग के साथ संभावित रूप से लाभकारी सहक्रियात्मक संबंध है। हाइड्रोजन को कोकिंग कोयले के विकल्प के रूप में विकसित किया जा रहा है ताकि लोहे के अयस्कों को कम करके पिग आयरन ('गलाने') का उत्पादन किया जा सके। इस तरह के उद्देश्यों के लिए हाइड्रोजन का उपयोग हाइड्रोजन और इस्पात निर्माण के बीच संबंधों को बहुत मजबूत करेगा। इसे ध्यान में रखते हुए, यदि एक फोर्ज में क्रायोजेनिक तरल हाइड्रोजन तक पहुंच होती है, तो हाइड्रोजन क्रायोमैग्नेटिक तकनीक पर आधारित बड़े पैमाने पर चुंबकीय प्रेरण फोर्जिंग आर्थिक रूप से बेहद आकर्षक हो सकती है, विशेष रूप से बिलेट हीटिंग के लिए। संदर्भ क्रायोजेनिक्स क्रायोजेनिक्स