فوٹو سنتھیسس: اس سیارے پر زندگی کا بنیادی طریقہ کار، GCSE حیاتیات کے طلباء کی لعنت، اور اب موسمیاتی تبدیلی سے لڑنے کا ایک ممکنہ طریقہ۔ سائنس دان ایک مصنوعی طریقہ تیار کرنے کے لیے سخت محنت کر رہے ہیں جو اس بات کی نقل کرتا ہے کہ پودے سورج کی روشنی کو CO2 اور پانی کو کسی ایسی چیز میں تبدیل کرنے کے لیے استعمال کرتے ہیں جسے ہم ایندھن کے طور پر استعمال کر سکتے ہیں۔ اگر یہ کام کرتا ہے، تو یہ ہمارے لیے ایک جیت کا منظر نامہ ہوگا: نہ صرف ہم اس طریقے سے پیدا ہونے والی قابل تجدید توانائی سے فائدہ اٹھائیں گے، بلکہ یہ فضا میں CO2 کی سطح کو کم کرنے کا ایک اہم طریقہ بھی بن سکتا ہے۔
تاہم، فوٹو سنتھیس کو تیار کرنے میں پودوں کو اربوں سال لگے، اور فطرت میں جو کچھ ہوتا ہے اسے نقل کرنا ہمیشہ آسان کام نہیں ہوتا۔ اس وقت، مصنوعی فتوسنتھیس کے بنیادی مراحل کام کرتے ہیں، لیکن زیادہ موثر طریقے سے نہیں۔ اچھی خبر یہ ہے کہ اس شعبے میں تحقیق میں تیزی آ رہی ہے اور دنیا بھر میں ایسے گروہ موجود ہیں جو اس اٹوٹ عمل کو بروئے کار لانے کے لیے اقدامات کر رہے ہیں۔
دو قدمی فوٹو سنتھیس
فوٹو سنتھیس صرف سورج کی روشنی کو حاصل کرنے کے بارے میں نہیں ہے۔ گرم دھوپ میں نہانے والی چھپکلی ایسا کر سکتی ہے۔ اس توانائی ("فوٹو" بٹ) کو پکڑنے اور ذخیرہ کرنے اور اسے کاربوہائیڈریٹ ("ترکیب" بٹ) میں تبدیل کرنے کے طریقے کے طور پر پودوں میں فوٹو سنتھیس تیار ہوا۔ پودے الیکٹرانوں کو چھوڑنے کے لیے سورج کی روشنی سے چلنے والے پروٹین اور انزائمز کا ایک سلسلہ استعمال کرتے ہیں، جو بدلے میں CO2 کو پیچیدہ کاربوہائیڈریٹ میں تبدیل کرنے کے لیے استعمال ہوتے ہیں۔ بنیادی طور پر، مصنوعی فتوسنتھیس انہی مراحل کی پیروی کرتا ہے۔
"قدرتی فوٹو سنتھیسز میں، جو کہ قدرتی کاربن سائیکل کا حصہ ہے، ہمارے پاس روشنی، CO2 اور پانی پودے میں جاتا ہے اور پلانٹ شوگر بناتا ہے،" فل ڈی لونا، جو کہ الیکٹریکل اینڈ کمپیوٹر انجینئرنگ ڈیپارٹمنٹ میں کام کرنے والے پی ایچ ڈی امیدوار ہیں، بتاتے ہیں۔ ٹورنٹو یونیورسٹی. "مصنوعی فتوسنتھیس میں، ہم غیر نامیاتی آلات اور مواد استعمال کرتے ہیں۔ اصل شمسی کٹائی کا حصہ شمسی خلیات کے ذریعے کیا جاتا ہے اور توانائی کی تبدیلی کا حصہ الیکٹرو کیمیکل [کیٹالسٹس کی موجودگی میں ردعمل] کے ذریعے کیا جاتا ہے۔
اس عمل کے ساتھ جو چیز واقعی اپیل کرتی ہے وہ ہے طویل مدتی توانائی کے ذخیرہ کے لیے ایندھن پیدا کرنے کی صلاحیت۔ یہ اس سے کہیں زیادہ ہے جو موجودہ قابل تجدید توانائی کے ذرائع کر سکتے ہیں، یہاں تک کہ ابھرتی ہوئی بیٹری ٹیکنالوجی کے ساتھ۔ اگر سورج باہر نہیں ہے یا اگر ہوا کا دن نہیں ہے، مثال کے طور پر، سولر پینلز اور ونڈ فارمز صرف پیداوار بند کر دیتے ہیں۔ "پیچیدہ ایندھن میں طویل موسمی ذخیرہ اور ذخیرہ کرنے کے لیے، ہمیں ایک بہتر حل کی ضرورت ہے،" ڈی لونا کہتی ہیں۔ "بیٹریاں روزمرہ، فونز اور یہاں تک کہ کاروں کے لیے بھی بہترین ہوتی ہیں، لیکن ہم کبھی بھی بیٹری کے ساتھ [بوئنگ] 747 نہیں چلائیں گے۔"
حل کرنے کے لیے چیلنجز
جب شمسی خلیات بنانے کی بات آتی ہے - مصنوعی فتوسنتھیس کے عمل کا پہلا قدم - ہمارے پاس پہلے سے ہی ٹیکنالوجی موجود ہے: شمسی توانائی کے نظام۔ تاہم، موجودہ فوٹو وولٹک پینل، جو کہ عام طور پر سیمی کنڈکٹر پر مبنی نظام ہیں، فطرت کے مقابلے میں نسبتاً مہنگے اور ناکارہ ہیں۔ ایک نئی ٹیکنالوجی کی ضرورت ہے؛ ایک جو بہت کم توانائی ضائع کرتا ہے۔
جارجیا اسٹیٹ یونیورسٹی، اٹلانٹا سے تعلق رکھنے والے گیری ہیسٹنگز اور ان کی ٹیم، پودوں میں اصل عمل کو دیکھتے ہوئے ایک نقطہ آغاز پر ٹھوکر کھا سکتی ہے۔ فوٹو سنتھیسس میں، اہم نکتہ سیل میں ایک خاص فاصلے پر الیکٹرانوں کو حرکت دینا شامل ہے۔ بہت آسان الفاظ میں، یہ سورج کی روشنی کی وجہ سے ہونے والی حرکت ہے جو بعد میں توانائی میں تبدیل ہو جاتی ہے۔ ہیسٹنگز نے ظاہر کیا کہ یہ عمل فطرت میں بہت موثر ہے کیونکہ یہ الیکٹران اپنی اصل پوزیشن پر واپس نہیں جا سکتے: "اگر الیکٹران وہاں سے واپس چلا جاتا ہے جہاں سے آیا تھا، تو شمسی توانائی ختم ہو جاتی ہے۔" اگرچہ یہ امکان پودوں میں نایاب ہے، یہ شمسی پینلز میں کثرت سے ہوتا ہے، یہ بتاتا ہے کہ وہ اصل چیز سے کم کارگر کیوں ہیں۔
ہیسٹنگز کا خیال ہے کہ "اس تحقیق سے کیمیکل یا ایندھن کی پیداوار سے متعلق سولر سیل ٹیکنالوجیز کو آگے بڑھانے کا امکان ہے"، لیکن وہ اس بات کی طرف اشارہ کرنے میں جلدی کرتے ہیں کہ اس وقت یہ محض ایک خیال ہے اور یہ پیشرفت جلد کسی بھی وقت ہونے کا امکان نہیں ہے۔ "مکمل طور پر مصنوعی شمسی سیل ٹکنالوجی کی تشکیل کے لحاظ سے جو ان خیالات کی بنیاد پر تیار کی گئی ہے، مجھے یقین ہے کہ ٹیکنالوجی مستقبل میں اور بھی دور ہے، ممکنہ طور پر اگلے پانچ سالوں میں بھی پروٹو ٹائپ کے لیے نہیں۔"
ایک مسئلہ محققین کا خیال ہے کہ ہم حل کرنے کے قریب ہیں اس عمل میں دوسرا مرحلہ شامل ہے: CO2 کو ایندھن میں تبدیل کرنا۔ چونکہ یہ مالیکیول بہت مستحکم ہے اور اسے توڑنے کے لیے ناقابل یقین مقدار میں توانائی درکار ہوتی ہے، اس لیے مصنوعی نظام مطلوبہ توانائی کو کم کرنے اور رد عمل کو تیز کرنے میں مدد کرنے کے لیے اتپریرک کا استعمال کرتا ہے۔ تاہم، یہ نقطہ نظر اپنے مسائل کا ایک مجموعہ لاتا ہے۔ گزشتہ دس سالوں میں بہت سی کوششیں کی گئی ہیں، جن میں مینگنیز، ٹائٹینیم اور کوبالٹ سے کیٹالسٹ بنائے گئے ہیں، لیکن طویل استعمال نے خود کو ایک مسئلہ ثابت کیا ہے۔ نظریہ اچھا لگ سکتا ہے، لیکن وہ یا تو چند گھنٹوں کے بعد کام کرنا چھوڑ دیتے ہیں، غیر مستحکم ہو جاتے ہیں، سست ہو جاتے ہیں یا دوسرے کیمیائی رد عمل کو متحرک کر دیتے ہیں جو سیل کو نقصان پہنچا سکتے ہیں۔
لیکن ایسا لگتا ہے کہ کینیڈا اور چینی محققین کے درمیان تعاون نے جیک پاٹ کو نشانہ بنایا ہے۔ انہوں نے نکل، آئرن، کوبالٹ اور فاسفورس کو ایک غیر جانبدار پی ایچ میں کام کرنے کا ایک طریقہ تلاش کیا، جو نظام کو چلانے میں کافی آسان بناتا ہے۔ "چونکہ ہمارا اتپریرک غیر جانبدار پی ایچ الیکٹرولائٹ میں اچھی طرح کام کرسکتا ہے، جو CO2 کو کم کرنے کے لیے ضروری ہے، اس لیے ہم جھلی سے پاک نظام میں CO2 کی کمی کا الیکٹرولائسز چلا سکتے ہیں، اور اس لیے وولٹیج کو کم کیا جا سکتا ہے"، بو ژانگ کہتے ہیں۔ فوڈان یونیورسٹی، چین میں میکرو مالیکولر سائنس کا شعبہ۔ ایک متاثر کن 64% الیکٹریکل سے کیمیکل پاور کی تبدیلی کے ساتھ، ٹیم اب مصنوعی فوٹو سنتھیس سسٹم کے لیے سب سے زیادہ کارکردگی کے ساتھ ریکارڈ ہولڈر ہے۔
"اس وقت جو ہمارے پاس ہے اس میں سب سے بڑا مسئلہ پیمانہ ہے"
ان کی کوششوں کی بدولت، ٹیم NRG COSIA Carbon XPRIZE میں سیمی فائنل تک پہنچی، جو انہیں اپنی تحقیق کے لیے $20 ملین جیت سکتی ہے۔ اس کا مقصد "بجلی کے پلانٹس اور صنعتی سہولیات سے CO2 کے اخراج کو قیمتی مصنوعات میں تبدیل کرنے والی جدید ٹیکنالوجیز تیار کرنا ہے" اور ان کے بہتر مصنوعی فوٹو سنتھیس سسٹم کے ساتھ، ان کے پاس ایک اچھا موقع ہے۔
اگلا چیلنج اسکیل کرنا ہے۔ "ہمارے پاس ابھی جو کچھ ہے اس کے ساتھ سب سے بڑا مسئلہ پیمانہ ہے۔ جب ہم پیمانہ بڑھاتے ہیں، تو ہم کارکردگی کھو دیتے ہیں،" ڈی لونا کہتی ہیں، جو ژانگ کے مطالعے میں بھی شامل تھیں۔ خوش قسمتی سے، محققین نے اپنی بہتری کی فہرست ختم نہیں کی ہے، اور اب وہ مختلف کمپوزیشنز اور مختلف کنفیگریشنز کے ذریعے اتپریرک کو مزید موثر بنانے کی کوشش کر رہے ہیں۔
دو محاذوں پر جیت
یقینی طور پر قلیل اور طویل مدتی دونوں میں بہتری کی گنجائش موجود ہے، لیکن بہت سے لوگ محسوس کرتے ہیں کہ مصنوعی فتوسنتھیس مستقبل کے لیے ایک صاف اور پائیدار ٹیکنالوجی کے طور پر ایک اہم ذریعہ بننے کی صلاحیت رکھتا ہے۔
"یہ ناقابل یقین حد تک دلچسپ ہے کیونکہ میدان اتنی تیزی سے آگے بڑھ رہا ہے۔ ڈی لونا کا کہنا ہے کہ کمرشلائزیشن کے لحاظ سے، ہم اہم مقام پر ہیں، انہوں نے مزید کہا کہ آیا یہ کام کرتا ہے "بہت سے عوامل پر منحصر ہے، جن میں عوامی پالیسی اور صنعت کی طرف سے قابل تجدید توانائی کی ٹیکنالوجی کو قبول کرنا شامل ہے۔ "
سائنس کو درست کرنا واقعی صرف پہلا قدم ہے۔ ہیسٹنگز اور ژانگ جیسے لوگوں کی تحقیق کے نتیجے میں قابل تجدید توانائی کے بارے میں ہماری عالمی حکمت عملی میں مصنوعی فتوسنتھیس کو جذب کرنے کا ایک اہم اقدام آئے گا۔ داؤ پر لگا ہوا ہے۔ اگر یہ آگے بڑھتا ہے، تو ہم دو محاذوں پر جیتنے کے لیے کھڑے ہوں گے – نہ صرف ایندھن اور کیمیائی مصنوعات تیار کرنا، بلکہ اس عمل میں ہمارے کاربن فوٹ پرنٹ کو بھی کم کرنا۔