এই ব্লগ পোস্টে আমরা আলোচনা করব, কীভাবে কৃত্রিম সালোকসংশ্লেষণ সৌরশক্তি ব্যবহার করে একই সাথে শক্তির ঘাটতি ও পরিবেশ দূষণের সমস্যাগুলো প্রশমিত করে এবং সাম্প্রতিক গবেষণার মাধ্যমে উদ্ঘাটিত প্রযুক্তিগত সম্ভাবনাগুলোর একটি বিশদ বিবরণ প্রদান করব।
প্রচুর শক্তি এবং একটি নির্মল পরিবেশ কি সত্যিই সহাবস্থান করতে পারে? শক্তি উৎপাদন প্রক্রিয়ার সময় বিভিন্ন ধরনের পরিবেশ দূষণ ঘটে। সম্পদ পোড়ানোর ফলে নির্গত গ্যাস বায়ু দূষণ এবং বৈশ্বিক উষ্ণায়ন ঘটায়, অন্যদিকে শেল গ্যাসের মতো নির্দিষ্ট কিছু শক্তির উৎস প্রক্রিয়াজাতকরণের সময় উৎপন্ন পদার্থ পানি ও মাটি দূষণসহ জটিল পরিবেশ দূষণ ঘটায়। উপরন্তু, শক্তি সম্পদের হ্রাস একটি গুরুতর সমস্যা হিসেবে আবির্ভূত হয়েছে। প্রতি বছর বিশ্বব্যাপী শক্তির চাহিদা বাড়লেও, কয়লা, তেল এবং প্রাকৃতিক গ্যাসের মতো প্রধান শক্তির উৎসগুলোর মজুদ সীমিত এবং তা ক্রমশ হ্রাস পাচ্ছে। এই শক্তি হ্রাসের সমস্যা মোকাবেলায়, বিশ্ব পূর্বে উল্লিখিত শেল গ্যাসের মতো নতুন ভূগর্ভস্থ সম্পদ বিকাশের জন্য চেষ্টা করে আসছে; তবে, এটি স্পষ্ট হয়ে উঠছে যে এর মজুদের সীমাবদ্ধতার কারণে এটিও একটি মৌলিক সমাধান হিসেবে কাজ করতে পারে না।
সীমিত শক্তি এবং পরিবেশ দূষণের দ্বৈত সমস্যা একই সাথে মোকাবেলা করার একটি উপায় হিসেবে, আমরা সৌরশক্তি ব্যবহারের কথা বিবেচনা করতে পারি, যা কার্যত আমাদের জন্য উপলব্ধ একটি অসীম সম্পদ। কৃত্রিম সালোকসংশ্লেষণ শুধুমাত্র সৌরশক্তি থেকে ব্যবহারযোগ্য শক্তি উৎপাদনের ক্ষমতার জন্যই নয়, বরং পরিবেশবান্ধব উপায়ে বিভিন্ন উচ্চ-মূল্য সংযোজিত উপাদান সংশ্লেষণ করার ক্ষমতার জন্যও মনোযোগ আকর্ষণ করেছে। অধিকন্তু, প্রাকৃতিক সালোকসংশ্লেষণের মতোই, এটি উপাদান বা শক্তি উৎপাদনের প্রক্রিয়ায় কার্বন ডাই অক্সাইড শোষণ করে, যার ফলে বৈশ্বিক উষ্ণায়ন প্রশমনে অবদান রাখে। তবে, কার্যকারিতা এবং অর্থনৈতিক সম্ভাব্যতা সম্পর্কিত বাধা অতিক্রম করার সীমাবদ্ধতার কারণে এর বাস্তব প্রয়োগ কঠিন ছিল, এবং ফলস্বরূপ, কৃত্রিম সালোকসংশ্লেষণকে কিছু সময়ের জন্য পরীক্ষামূলক পর্যায়ে বা তাত্ত্বিক আলোচনার স্তরেই থাকতে হয়েছিল। তা সত্ত্বেও, সম্প্রতি বিশ্বজুড়ে ধারাবাহিক উল্লেখযোগ্য গবেষণা সাফল্যের ফলে, বাণিজ্যিকীকরণের পথ ধীরে ধীরে উন্মুক্ত হচ্ছে। কৃত্রিম সালোকসংশ্লেষণের উন্নয়ন প্রক্রিয়া পরীক্ষা করার আগে, আমরা প্রথমে এর মূলনীতিগুলো বুঝব এবং তারপর দুটি প্রতিনিধিত্বমূলক গবেষণা ক্ষেত্রের মাধ্যমে এই প্রযুক্তির বর্তমান অবস্থা পরীক্ষা করব।
কৃত্রিম সালোকসংশ্লেষণ, নাম থেকেই বোঝা যায়, এমন একটি প্রক্রিয়া যা প্রাকৃতিক সালোকসংশ্লেষণকে অনুকরণ করে কৃত্রিমভাবে বিভিন্ন পদার্থ উৎপাদন করে। তাই, কৃত্রিম সালোকসংশ্লেষণ বোঝার জন্য প্রথমে প্রাকৃতিক সালোকসংশ্লেষণের মূলনীতিগুলো বোঝা প্রয়োজন। প্রাকৃতিক সালোকসংশ্লেষণ হলো সেই প্রক্রিয়া যার মাধ্যমে উদ্ভিদ এবং কিছু জীব আলোক শক্তি ব্যবহার করে জীবনের জন্য প্রয়োজনীয় পদার্থ সংশ্লেষণ করে; মূলত, এটি কার্বন ডাই অক্সাইড এবং পানি ব্যবহার করে গ্লুকোজ ও অক্সিজেন উৎপাদন করে। এই প্রক্রিয়াটি দুটি পর্যায়ে বিভক্ত: আলোক বিক্রিয়া এবং অন্ধকার বিক্রিয়া। আলোক বিক্রিয়া ক্লোরোপ্লাস্টের থাইলাকয়েড ঝিল্লিতে ঘটে এবং এটি পানির ফটোলাইসিস ও ফটোফসফোরাইলেশন বিক্রিয়ায় বিভক্ত। পানির ফটোলাইসিসে, পানি ভেঙে ইলেকট্রন, হাইড্রোজেন আয়ন এবং অক্সিজেন উৎপন্ন হয়, অন্যদিকে ফটোফসফোরাইলেশন বিক্রিয়া প্রধানত ATP এবং NADPH2 তৈরি করে, যা অন্ধকার বিক্রিয়ার জন্য প্রয়োজনীয়। যেহেতু উভয় বিক্রিয়াই ক্লোরোফিল দ্বারা শোষিত আলোক শক্তির উপর নির্ভরশীল, তাই আলোর অনুপস্থিতিতে আলোক বিক্রিয়া ঘটে না। অন্ধকার বিক্রিয়া ক্লোরোপ্লাস্ট স্ট্রোমায় সংঘটিত হয়, যেখানে আলোক বিক্রিয়ার সময় উৎপাদিত ATP এবং NADPH2 ক্যালভিন চক্রের মাধ্যমে কার্বন ডাই অক্সাইড থেকে গ্লুকোজ সংশ্লেষণে ব্যবহৃত হয়।
কৃত্রিম সালোকসংশ্লেষণও প্রাকৃতিক সালোকসংশ্লেষণের অনুরূপ পদ্ধতিতে সম্পন্ন হয় এবং এর সাধারণ প্রক্রিয়াটি নিম্নরূপ। কৃত্রিম সালোকসংশ্লেষণে, সৌর কোষ প্রাকৃতিক সালোকসংশ্লেষণের আলোক-নির্ভর বিক্রিয়া পর্যায়ের অনুরূপ কাজটি সম্পাদন করে। উদ্দিষ্ট বিদ্যুৎ উৎপাদনের পরিবর্তে, সৌর কোষ প্রাকৃতিক সালোকসংশ্লেষণের মতোই NADP থেকে NADPH₂ সংশ্লেষণের ভূমিকা পালন করে। প্রাকৃতিক সালোকসংশ্লেষণের অন্ধকার বিক্রিয়া পর্যায়ে জারণ-বিজারণ এনজাইম ব্যবহৃত হয়। যদিও ক্যালভিন চক্রে অসংখ্য এনজাইম জড়িত থাকে, কৃত্রিম সালোকসংশ্লেষণে এই জটিল এনজাইমীয় বিক্রিয়াগুলোকে জারণ-বিজারণ এনজাইম দ্বারা প্রতিস্থাপিত করা হয়। এইভাবে, কৃত্রিম সালোকসংশ্লেষণ মানব প্রযুক্তির মাধ্যমে প্রাকৃতিক সালোকসংশ্লেষণের আলোক ও অন্ধকার বিক্রিয়ার অনুকরণ করে বাস্তবায়িত হয়; তবে, প্রাকৃতিক সালোকসংশ্লেষণের মতো এটি কেবল অক্সিজেন এবং গ্লুকোজ উৎপাদনেই থেমে থাকে না, বরং মানুষের প্রয়োজন অনুযায়ী বিভিন্ন ধরণের পণ্য উৎপাদন করতে পারে। উদাহরণস্বরূপ, কৃত্রিম সালোকসংশ্লেষণ কেবল মানুষের ব্যবহারের জন্য শক্তি সঞ্চয় করতেই ব্যবহৃত হয় না, বরং ডায়াবেটিস বা এইডস চিকিৎসার কাঁচামালের মতো উচ্চ-মূল্য সংযোজিত রাসায়নিক পদার্থ বেছে বেছে সংশ্লেষণ করতেও ব্যবহৃত হতে পারে।
সমস্ত প্রযুক্তিই প্রাথমিক উন্নয়ন পর্যায় থেকে বাণিজ্যিকীকরণ পর্যন্ত ক্রমাগত দক্ষতা এবং অর্থনৈতিক সম্ভাব্যতা উন্নত করার একটি প্রক্রিয়ার মধ্য দিয়ে যায়, এবং কৃত্রিম সালোকসংশ্লেষণও এর ব্যতিক্রম ছিল না। আগেই যেমন উল্লেখ করা হয়েছে, চূড়ান্ত পণ্যের উপর নির্ভর করে কৃত্রিম সালোকসংশ্লেষণকে শক্তি সঞ্চয় এবং উপাদান উৎপাদন পদ্ধতিতে বিভক্ত করা হয়। আসুন প্রতিটি পদ্ধতিতে সম্মুখীন হওয়া চ্যালেঞ্জ এবং সেগুলোর সমাধানের জন্য সাম্প্রতিক গবেষণার সাফল্যগুলো পরীক্ষা করা যাক। প্রথমত, কৃত্রিম সালোকসংশ্লেষণ ব্যবহার করে শক্তি সঞ্চয়ের পদ্ধতিতে, শক্তি রূপান্তর দক্ষতা নিয়ে সমস্যা দেখা দেয়। কৃত্রিম সালোকসংশ্লেষণের মাধ্যমে যখন হাইড্রোজেন উৎপাদিত হয়, তখন এটিকে অবশ্যই শক্তির একটি ব্যবহারযোগ্য রূপে সঞ্চয় ও পরিবহন করতে হয়। কিন্তু, যেহেতু হাইড্রোজেন অত্যন্ত হালকা এবং অস্থিতিশীল, তাই এটিকে স্থিতিশীল ও দক্ষতার সাথে শোষণ করতে সক্ষম একটি যন্ত্রের প্রয়োজন ছিল। পূর্বে, হাইড্রোজেন শোষণ করে হাইড্রোকার্বন-ভিত্তিক পদার্থ হিসেবে সঞ্চয়কারী ব্যাকটেরিয়া ব্যবহার করা হতো; কিন্তু এই সিস্টেমগুলো প্রদত্ত শক্তির মাত্র প্রায় ১% সঞ্চয় করতে পারত, যা বাণিজ্যিকীকরণের জন্য নির্ধারিত মানদণ্ড হিসেবে বিবেচিত প্রায় ১০% দক্ষতার চেয়ে অনেক কম ছিল। তবে, ২০১৬ সালের জুন মাসে, হার্ভার্ড বিশ্ববিদ্যালয়ের একটি গবেষক দল জিনগতভাবে ব্যাকটেরিয়ার হাইড্রোজেন শোষণ হার বৃদ্ধি করে এবং এমন একটি নতুন অনুঘটক তৈরি করে যা এই ব্যাকটেরিয়াগুলোকে স্থিতিশীলভাবে টিকে থাকতে সাহায্য করে, এর মাধ্যমে শক্তি রূপান্তর দক্ষতা প্রায় ১০% পর্যন্ত বাড়াতে সফল হয়। এই গবেষণাটি কৃত্রিম সালোকসংশ্লেষ ব্যবহার করে শক্তি সঞ্চয়ের পদ্ধতিকে বাণিজ্যিকীকরণের পর্যায়ে নিয়ে যাওয়ার ক্ষেত্রে একটি গুরুত্বপূর্ণ মাইলফলক হিসেবে কাজ করেছে। ২০২৫ সালের শেষভাগ পর্যন্ত পরবর্তী গবেষণাগুলোতে এই প্রযুক্তির উপর ভিত্তি করে ১২-১৫% পরিসরের দক্ষতার কথা জানানো হয়েছে, যা কৃত্রিম সালোকসংশ্লেষ-ভিত্তিক হাইড্রোজেন উৎপাদন ও সঞ্চয় প্রযুক্তির সম্ভাবনাকে আরও প্রমাণ করে। তবে, শিল্পক্ষেত্রে প্রয়োগের জন্য যেহেতু অতিরিক্ত যাচাইকরণ এবং প্রযুক্তিগত উন্নতির—যেমন দীর্ঘমেয়াদী পরিচালনগত স্থিতিশীলতা, বৃহৎ আকারের সিস্টেমে সম্প্রসারণযোগ্যতা এবং দূষণ প্রতিরোধ ক্ষমতা—এখনও প্রয়োজন, তাই এর বাণিজ্যিকীকরণ বর্তমানে ধীর কিন্তু স্থির অগ্রগতির পর্যায়ে রয়েছে।
এরপর, কৃত্রিম সালোকসংশ্লেষণের মাধ্যমে উচ্চ-মূল্য সংযোজিত উপাদান উৎপাদনের পদ্ধতিতে, জল-বিভাজন অনুঘটকের কার্যকারিতা এবং ব্যয়-সাশ্রয়ীতা প্রধান চ্যালেঞ্জ হিসেবে আবির্ভূত হয়েছে। যদিও জল এবং কার্বন ডাই অক্সাইড থেকে উচ্চ-মূল্য সংযোজিত রাসায়নিক পদার্থ উৎপাদনের জন্য জল-বিভাজন পর্যায়টি অপরিহার্য, এই প্রক্রিয়ায় প্রচুর শক্তির প্রয়োজন হয়। তাই, শক্তি খরচ কমাতে অনুঘটক ব্যবহার করা হয়; তবে, বাণিজ্যিক সম্ভাব্যতা নিশ্চিত করতে একই সাথে স্বল্প ব্যয় এবং উচ্চ কার্যকারিতা উভয়ই অর্জন করতে হয়। কিন্তু, স্বল্প-মূল্যের অনুঘটকগুলোর কার্যকারিতা ছিল দুর্বল, অন্যদিকে উচ্চ-কার্যকারিতা সম্পন্ন অনুঘটকগুলো ছিল অত্যন্ত ব্যয়বহুল, যা ক্রমাগত অর্থনৈতিক সম্ভাব্যতাকে ক্ষুণ্ণ করছিল। এই কারণে, কৃত্রিম সালোকসংশ্লেষণ ব্যবহার করে রাসায়নিক পদার্থ উৎপাদনের পদ্ধতিটি দীর্ঘদিন ধরে তাত্ত্বিক সম্ভাবনার মধ্যেই সীমাবদ্ধ ছিল। তারপর, ২০১৭ সালের সেপ্টেম্বরে খবর আসে যে কোরিয়া ইনস্টিটিউট অফ সায়েন্স অ্যান্ড টেকনোলজির (KIST) একটি গবেষক দল স্বল্প-মূল্যের এবং উচ্চ-কার্যকারিতা সম্পন্ন একটি কৃত্রিম সালোকসংশ্লেষণ অনুঘটক তৈরি করেছে। দলটি স্টেইনলেস স্টিলের উপাদান ব্যবহার করে নিকেল অক্সিহাইড্রোক্সাইড নামক একটি অনুঘটক সংশ্লেষণ করে। এটি কেবল একটি সহজ প্রক্রিয়ার মাধ্যমে ব্যাপক উৎপাদনে সক্ষম তাই নয়, বরং এটি বিদ্যমান অনুঘটকগুলির তুলনায় ২০-৩০% বেশি দক্ষতা অর্জন করে, যার ফলে জল-বিভাজন অনুঘটকগুলির ক্ষেত্রে দক্ষতা এবং ব্যয়-সাশ্রয়ীতার সমস্যাগুলি একই সাথে সমাধান করে। ২০২0-এর দশকের শেষভাগ থেকে, কৃত্রিম সালোকসংশ্লেষণ সম্পর্কিত গবেষণা—যার মধ্যে স্বল্পমূল্যের ধাতু-ভিত্তিক অনুঘটক, আলোক-তড়িৎ-রাসায়নিক অর্ধপরিবাহী পদার্থ এবং কার্বন সম্পদ ব্যবহারের প্রযুক্তি অন্তর্ভুক্ত—বিশ্বব্যাপী দ্রুত প্রসারিত হয়েছে, যা এর বাণিজ্যিকীকরণের সম্ভাবনাকে আরও বাড়িয়ে তুলেছে।
সংক্ষেপে, কৃত্রিম সালোকসংশ্লেষণ প্রযুক্তি—যা মানুষের ব্যবহারের জন্য শক্তি ও উপকরণ উৎপাদনের উদ্দেশ্যে প্রাকৃতিক সালোকসংশ্লেষণকে অনুকরণ করে—বাণিজ্যিকীকরণের দিকে এগিয়ে যাচ্ছে, কারণ সাম্প্রতিক সক্রিয় গবেষণা এর কার্যকারিতা ও অর্থনৈতিক সম্ভাব্যতা উন্নত করেছে। যদিও সামগ্রিক কার্যকারিতার নিরিখে বাণিজ্যিকভাবে লাভজনক বলে বিবেচিত হতে পারে এমন কিছু সাফল্য অর্জিত হয়েছে, পূর্বে উল্লিখিত জল বিভাজন প্রক্রিয়া ছাড়াও সমগ্র কৃত্রিম সালোকসংশ্লেষণ প্রক্রিয়া জুড়ে ব্যাপক উৎপাদন এবং খরচ কমানোর মতো পৃথক চ্যালেঞ্জ রয়ে গেছে। অবশ্যই, কৃত্রিম সালোকসংশ্লেষণের শক্তি দক্ষতা প্রায় ১% থেকে ১০%-এ উন্নীত করা নিঃসন্দেহে একটি উল্লেখযোগ্য অগ্রগতি। তবে, যেহেতু প্রাকৃতিক সালোকসংশ্লেষণের শক্তি রূপান্তর দক্ষতা ৪০%-এর বেশি, তাই ভবিষ্যতে কৃত্রিম সালোকসংশ্লেষণের দক্ষতা আরও উন্নত হওয়ার সম্ভাবনা রয়েছে। কৃত্রিম সালোকসংশ্লেষণের একটি স্বতন্ত্র সুবিধা হলো এটি সৌরশক্তিকে—যা একটি প্রায় অসীম সম্পদ—এমন একটি রূপে রূপান্তরিত করে যা মানুষ পরিবেশবান্ধব উপায়ে ব্যবহার করতে পারে। আমরা যদি কেবল শক্তি দক্ষতাই উন্নত করতে না পারি, বরং ব্যাপক উৎপাদন ব্যবস্থা স্থাপন করতে এবং খরচ কমাতে পারি, তবে আমরা বিশ্বব্যাপী শক্তি নিঃশেষিত হওয়ার সংকট এবং শক্তি উন্নয়নের ফলে সৃষ্ট পরিবেশ দূষণ, যা মানবজাতি বর্তমানে মোকাবেলা করছে, তা নাটকীয়ভাবে উন্নত করতে সক্ষম হব। অধিকন্তু, যেহেতু কৃত্রিম সালোকসংশ্লেষণ কেবল শক্তি উৎপাদনই নয়, বরং বিভিন্ন উচ্চ-মূল্য সংযোজিত রাসায়নিক পদার্থের নির্বাচনী উৎপাদনও সম্ভব করে তোলে, তাই আশা করা যায় যে এটি ঔষধশিল্পের উন্নয়নসহ বিভিন্ন শিল্প খাতে মানব জীবনের মান আরও উন্নত করার একটি মূল প্রযুক্তি হিসেবে নিজেকে প্রতিষ্ঠিত করবে।
