আইনস্টাইন রেফ্রিজারেটর!!

শিরোনামের সাথেই দুইটা বিষ্ময়সূচক চিহ্ন। কারণ মেকানিকাল ইঞ্জিনিয়ারিং এর একজন ছাত্র হিসেবে রেফ্রিজারেশন এর উপর পাক্কা একটা কোর্স পার করে আসতে হয়েছে। কিন্তু আইনস্টাইন রেফ্রিজারেটরের নাম শুনিনি। একটি বেসরকারি বিশ্ববিদ্যালয়ের শিক্ষক হিসেবে একটি কোর্সের ম্যাটেরিয়াল তৈরি করতে গিয়ে ইন্টারনেট ঘাটাঘাটি করতে করতে হঠাৎ Einstein Refrigerator টার্মটা নজরে আসলো। আমার যন্ত্রপ্রকৌশলী বন্ধুদের সাথে কিঞ্চিৎ আলাপ আলোচনা করে জানতে পারলাম তারাও এরকম কোন কিছুর নাম শোনেনি। থিওরি অব রিলেটিভিটি, ফটো ইলেকট্রন সহ আধুনিক পদার্থবিদ্যার ভারি ভারি বিষয় ব্যতীত প্রাত্যহিক জীবনে অতীব প্রয়োজনীয় একটি জিনিস-রেফিজারেটর মডেলিং এও যে আইনস্টাইনের অবদান থাকতে পারে সেটা অন্তত আমার ধারণার বাইরে ছিল!!! কিংবা পদার্থ বিজ্ঞানে তার যুগান্তকারী অবদান নিয়ে এতো বেশি আলোচনা হয়েছে যে তার অন্যান্য অবদানগুলো থেকে গেছে আলোচনার বাইরে। আর এর মধ্যে একটি হচ্ছে এনার্জি এফিসিয়েন্ট রেফ্রিজারেটর।

অবশ্য এই রেফ্রিজারেটর ডিজাইনে আইনস্টাইনের একক অবদান ছিল না। হাঙ্গেরিয়ান-আমেরিকান পদার্থবিজ্ঞানী ও উদ্ভাবক লিও সিলার্ড (Leo Szilard) ও আইনস্টাইনের যুগলবন্দীতেই তৈরি হয়েছিল এই এনার্জি এফিসিয়েন্ট এবসর্পশন (Absorption) টাইপ রেফ্রিজারেটরের। অনেক জায়গায় অবশ্য পেলাম যে এটি মূলত সিলার্ডএরই ডিজাইন। আইনস্টাইন এখানে কাজ করেছেন একজন কনসাল্টেন্ট হিসাবে। ডিজাইনটির পেটেন্ট গৃহীত হয় ১৯৩০ সালে, আইনস্টাইন ও সিলার্ড দুজনের নামেই পেটেন্ট দেয়া হয়। এই ফাকে লিও সিলার্ডকে নিয়েও দুই কথা না বললেই নয়। ম্যানহাটন প্রজেক্টের নেপথ্যের মানুষটি ছিলেন এই সিলার্ড। ইতিহাস বিখ্যাত Einstein–Szilárd letter যার ফলশ্রুতিতে নিউক্লিয়ার ফিসন নিয়ে গবেষণা কার্যক্রম শুরু হয়, সেই চিঠিটা মূলত এই সিলার্ডেরই লেখা, তারই অনুরোধে সেখানে সাক্ষর করেন আইনস্টাইন। পরে এই ম্যানহাটন প্রজেক্টের গবেষণা করেই নিউক্লিয়ার রিয়েক্টর বিষয়ে মৌলিক ধারণা প্রস্তাব দিয়ে ফার্মির সাথে পেটেন্ট পান এই উদ্ভাবক। ইলেকট্রন মাইক্রোস্কোপ, লিনিয়ার এক্সেলারেটর, সাইক্লোট্রন সহ প্রভৃতি বিষয়ে মূল কনসেপ্টের জনক সিলার্ড কিন্তু নোবেল পুরস্কার পাননি, কারণ তিনি এই কনসেপ্ট থেকে ডিভাইসগুলো তৈরি করেননি, এমনকি কোন সায়েন্টিফিক জার্নালেও সেগুলো প্রকাশ করেননি। অথচ তার কনসেপ্ট থেকে সাইক্লোট্রন তৈরি করে আর্নেস্ট লরেন্স ফিজিক্সে নোবেল পুরস্কার পান ১৯৩৯ সালে।
(সুত্রঃ উইকিপিডিয়া)

এবারে মূল আলোচনায় আসি। আইনস্টাইন রেফ্রিজারেটরের ভিতরে প্রবেশ করার আগে রেফ্রিজারেশনের মূলনীতি ও ক্লাসিফিকেশন নিয়ে ছোট্ট একটা আলোচনা সেরে নেয়া যাক। থার্মোডাইনামিক্সের ২য় সূত্র বলছে, এক্সটার্নাল ওয়ার্ক ডান (External Work Done) ছাড়া ঠান্ডা বস্তু থেকে গরম বস্তুতে তাপের প্রবাহ সম্ভব নয়। রেফিজারেশন সাইকেল হচ্ছে সোজা কথায় রিভার্স কার্নোট সাইকেল। কার্নোট সাইকেল হচ্ছে দুইটা ভিন্ন তাপমাত্রার হিট সিঙ্ক এর মাঝে কাজ করা একটি হিট ইঞ্জিন, যা উচ্চ তাপমাত্রার হিট সিঙ্ক থেকে তাপ শক্তি নিয়ে তার কিছু অংশ কাজে পরিণত করে আর বাকি অংশ নিম্ন তাপমাত্রার হিট সিঙ্কে বর্জন করে। রেফ্রিজারেশন হচ্ছে ঠিক তার উলটা। এখানে নিম্ন তাপমাত্রার হিট সিঙ্ক থেকে উচ্চ তাপমাত্রার হিট সিঙ্কে তাপ প্রবাহিত হয়, আর এর জন্য একটা এক্সটার্নাল ওয়ার্ক ডান প্রয়োজন।

এই এক্সটার্নাল ওয়ার্ক ডানের শক্তির উৎসের উপর ভিত্তি করে রেফিজারেশন সিস্টেমকে দুইভাগে ভাগ করা যায়ঃ

১) ভ্যাপার কম্প্রেশন টাইপ (Vapor Compression Type)
২) ভ্যাপার এবসর্পশন টাইপ (Vapor Absorption Type)

ডিটেইলসে না গিয়ে সংক্ষেপে বলা যায়, কম্প্রেশন টাইপে এনার্জি ইনপুট হচ্ছে ইলেক্ট্রিসিটি আর এনার্জি কনসিউমিং এলিমেন্টটা হচ্ছে কম্প্রেসর। আর এবসর্পশন টাইপের এনার্জি ইনপুট হচ্ছে লো গ্রেড এনার্জি, যেমন হিট। এবসর্পশন টাইপ রেফ্রিজারেটরে কম্প্রেসর থাকে না, থাকে পাম্প, যা কম্প্রেসরের তুলনায় খুবই কম পাওয়ার কনসিউম করে। তবে রেফ্রিজারেটর যে টাইপেরই হোক, মূল কাজ হচ্ছে দুইটা ওয়ার্কিং প্রেসার ক্রিয়েট করা। এভাপরেটরে লো প্রেসার তৈরি হবে, যাতে রেফ্রিজারেন্ট স্যাচুরেশন টেম্পারেচার খুব কমে যায় (ডিসায়ার্ড টেম্পারেচার থেকে কম), ফলে লিকুইড রেফ্রিজারেন্ট কম্পার্টমেন্ট থেকে হিট নিয়ে গ্যাসীয় অবস্থায় চলে যাবে, ফলে কম্পার্টমেন্টের টেম্পারেচার কমে রেফ্রিজারেটিং ইফেক্ট দেবে। আর উলটা দিকে গিয়ে (কম্প্রেসর টাইপে কম্প্রেসর, এবসর্পশন টাইপে জেনারেটর) প্রেসার বাড়ার প্রতিক্রিয়ায় কন্ডেন্সারে গিয়ে গ্যাসীয় রেফ্রিজারেন্ট পরিবেশে হিট ছেড়ে দিয়ে লিকুইড অবস্থায় চলে যাবে। পরে সেই লিকুইড রেফ্রিজারেন্ট থ্রোটল ভাল্ভের (Throttle valve)/এক্সপানসন ডিভাইজ (Expansion device) মধ্য দিয়ে আবার এভাপরেটরে চলে যাবে। এভাবে সাইকেল চলতে থাকবে। অত্যন্ত সহজ ভাষায় খুব সংক্ষেপে এটাই হচ্ছে রেফ্রিজারেশনের কার্যনীতি।

তাহলে সোজা কথায়, রেফ্রিজারেশন সিস্টেমের মুল কাজ হচ্ছে দুইটা অপারেটিং প্রেসার তৈরি করা এবং এর জন্য কম্প্রেশন টাইপে কম্প্রেসার আর এবসর্পশন টাইপে পাম্প এই দুই ধরণের moving parts /element থাকে। আর এখানেই আইনস্টাইন রেফ্রিজারেটরের বিশেষত্ব। আইনস্টাইন-সিলার্ডের করা ডিজাইনে কোন মুভিং এলিমেন্ট নাই। কারণ এখানে একটা কন্সটেন্ট প্রেসারে পুরো সাইকেলটা কাজ করে, অর্থাৎ প্রেসার ডিফারেন্স তৈরি করার কোন দরকার নেই। মুভিং এলিমেন্ট অর্থাৎ পাম্প/ কম্প্রেসর ছাড়াই এখানে কন্সট্যান্ট প্রেসারে পুরা সাইকেলটা রান করে। এখানেই এই ডিজাইনের ইউনিকনেস! এবার তাহলে আইনস্টাইন রেফ্রিজারেটরের ভিতরে প্রবেশ করা যাক।

ঘটনার পেছনের গল্পঃ
১৯২৬ থেকে ১৯৩৩ সাল পর্যন্ত আইনস্টাইন আর সিলার্ড একসাথে হোম রেফ্রিজারেশন সিস্টেম ডেভেলাপমেন্টে কাজ করেছিলেন এবং তিনটা ভিন্ন ভিন্ন মডেলের জন্য তারা যৌথভাবে ৪৫ টা পেটেন্ট পেয়েছিলেন। সেসময় বার্লিনে এক পরিবারের একই সাথে কয়েকজনের মৃত্যু ঘটে রেফ্রিজারেটর সিল লিক করার কারণে বিষাক্ত গ্যাস রিলিজ হওয়ার ফলে। এ ঘটনা থেকে আইনস্টাইন আর সিলার্ড চিন্তা করতে লাগলেন যে এমন রেফ্রিজারেশন সাইকেল যদি ডেভেলাপ করা যায় যেটাতে কোন moving element থাকবে না তাহলে সিল লিকের সম্ভাবনা অনেক কমে যাবে। ট্রেডিশনার আইসবক্সগুলো তখন মেকানিকাল রেফ্রিজারেটর দ্বারা রিপ্লেসড হওয়া শুরু করেছে, কিন্তু গ্যাস লিকেজের ঘটনা ঘটছিল খুব অহরহই। আর সেসময় রেফ্রিজারেন্ট হিসেবে ব্যবহৃত হত এমোনিয়া, মিথাইল ক্লোরাইড, সালফার ডাই অকাসিড। আইনস্টাইন সেসময় ইতিমধ্যে আপেক্ষিক তত্ত্বর জন্য বিখ্যাত। আর সিলার্ড ছিলেন ইউনিভার্সিটি অব বার্লিনের গ্রাজুয়েট রিসার্চ এসিস্টেন্ট। মূলত সেখানেই দুজনের পরিচয় এবং বন্ধুত্ব। সিলার্ড অল্প বয়স থেকে উদ্ভাবনের দিকে মনযোগী ছিলেন। পেটেন্টের প্রতি তার এক ধরণের নেশাই ছিল বলা যায়! খুব তরুণ বয়সেই তিনি তিনি এক্স-রে সেনসেটিভ সেল, মাইক্রো ভ্যাপার ল্যাম্পের পেটেন্টের আবেদন করেছিলেন। রেফ্রিজারেশন সংক্রান্ত কাজগুলো মূলত করেছেন সিলার্ড, আর তাতে কনসাল্টেন্সির জন্য তিনি আইনস্টাইনের সাহায্য চেয়েছিলেন। এতে একদিকে যেমন তার প্রারম্ভিক দিকে তার কাজের গ্রহণযোগ্যতা তৈরি সহজ হয়েছিল, তেমনি আর্থিক সাহায্য পাওয়াও অনেক সহজতর হয়ে গিয়েছিল আইনস্টাইনের নাম থাকার কারণে।

আইনস্টাইন রেফ্রিজারেটরঃ

এটি একটি সিঙ্গেল প্রেসার এবসর্পশন টাইপ রেফ্রিজারেটর। এখানে রেফ্রিজারেন্ট হিসেবে ব্যবহৃত হয় বিউটেন, এমোনিয়া ব্যবহৃত হয় হয় প্রেসার-সমতাকরণ এজেন্ট হিসেবে, আর পানি হচ্ছে এবসর্বিং ফ্লুইড। যেকোন এবসর্পশন সাইকেলে দুইটা ফ্লুইড লাগে। এদের মধ্যে একটা হচ্ছে রেফ্রিজারেন্ট, আরেকটা হচ্ছে এবজর্বেন্ট। যেমন এমোনিয়া-পানি সাইকেলে এমোনিয়া রেফ্রিজারেটর আর পানি এবজর্বেন্ট হিসেবে ব্যবহৃত হয়। আইনস্টাইন-লিওর এই সাইকেলে এরকম দুই ফ্লুইড ছাড়াও ৩য় আরেকটা ফ্লুইড ব্যবহার করা হয়েছে।

আইনস্টাইন রেফ্রিজারেটরে ওয়াটার ফ্লো লুপটা এমোনিয়া পাম্প হিসেবে আর এমোনিয়া ফ্লো লুপটা কাজ করে বিউটেন(রেফ্রিজারেন্ট) পাম্প হিসেবে। এমোনিয়া আর পানি সিলেক্ট করার কারণ হচ্ছে এমোনিয়া পানিতে দ্রবণীয়, কিন্তু উচ্চ তাপমাত্রায় পানিতে এমোনিয়ার দ্রবণীয়তা ড্রাস্টিকালি (Drastically) কমে যায়। আর রেফ্রিজারেন্ট হিসেবে বিউটেন চয়েস করার কারণ হচ্ছে এর এর স্ফুটনাংক অনেক কম এবং পানিতে এটি অদ্রবণীয়।

কনভেনশনাল রেফ্রিজারেটরে দুইটা অপারেটিং প্রেসার থাকে। কিন্তু আইনস্টাইনে সাইকেল প্রেসার একটাই। ধরি সে প্রেসার হচ্ছে Psystem.. আগেই উল্লেখ করেছি, কনভেনশনাল রেফ্রিজারেটরে Cold Side অর্থাৎ এভাপরেটরে লো প্রেসার Pref এ রেফ্রিজারেন্ট এভাপরেটেড হয়, আর এজন্য রেফ্রিজারেন্টকে তাপ গ্রহণ করতে হয়, ফলে আশেপাশের রিজিওন ঠান্ডা হয়ে যায়, সোজা কথায় আমরা রেফ্রিজারেটিং ইফেক্ট পাই। ইকুইভ্যালেন্ট আইনস্টাইন রেফ্রিজারেটরে এভাপরেটরে যেটা হয় সেটা হচ্ছেঃ রেফ্রিজারেন্ট ও এমোনিয়ার মিশ্রণ তৈরি হয়। গ্যাসীয় এ মিশ্রণে মোট প্রেসার হচ্ছে সিস্টেম প্রেসার। এখানে Psystem = Pref +Pammonia যেখানে Pref ও Pammonia হচ্ছে যথাক্রমে রেফ্রিজারেন্ট ও এমোনিয়া গ্যাসের Partial Pressure বা আংশিক চাপ। সিস্টেমের চাপ Psys হলেও আমাদের রেফ্রিজারেন্ট এখানে এভাপোরেটেড হয় নিজের আংশিক চাপে! এই যে, আলাদা করে পাম্প বা কমপ্রেসর ব্যবহার না করে শুধুমাত্র আলাদা করে একটা প্রেসার ইকুয়ালাইজিং এলিমেন্ট (এক্ষেত্রে এমোনিয়া) ব্যবহার করা এবং সিস্টেম প্রেসার সর্বত্র একই রেখে আংশিক চাপের পরিবর্তনের মধ্য দিয়ে রেফ্রিজারেন্টের phase পরিবর্তন করানো-এইটাই হচ্ছে আইনস্টাইন রেফ্রিজারেটরের মূলনীতি।

Cold side এ যা হয় hot side হয় ঠিক তার উলটা। কনভেনশনাল রেফ্রিজারেটরে কম্প্রেসর/পাম্প দিয়ে রেফ্রিজারেন্টের প্রেসার এলিভেট (Elevate) করে কনডেন্সারে পাস করা হয়। হাই প্রেসারের কারণে স্যাচুরেশন টেম্পারেচারও বেড়ে যায়। ফলে গ্যাসীয় রেফ্রিজারেন্ট এক্সটারনাল হিট এক্সচেঞ্জারে হিট ছেড়ে দিয়ে পুনরায় লিকুইড ফর্মে ফেরত আসে। আর এর ইকুইভ্যালেন্ট আইনস্টাইন রেফ্রিজারেটরে যেটা হয় সেটি হচ্ছেঃ এমোনিয়া-রেফ্রিজারেন্ট (এক্ষেত্রে বিউটেন) মিক্সচার থেকে একটা এবসর্বিং এজেন্ট (এক্ষেত্রে পানি) দ্বারা এমোনিয়া শোষিত হয়ে যায়। আগেই বলেছি, পানিতে এমোনিয়া দ্রবণীয়। ফলে পানিতে এমোনিয়া দ্রবীভূত হয়, কিন্তু আগত গ্যাস মিশ্রণ (এমোনিয়া+বিউটেন) Psys বজায় রাখার জন্য আলটিমেটলি রেফ্রিজারেন্টের আংশিক চাপ Psys এর দিকে ধাবিত হয়, সোজা কথায় রেফ্রিজারেন্ট (বিউটেন) এর আংশিক চাপ বেড়ে যায়। ব্যাস, বাকিটুকু কনভেনশনাল এবসর্পশন টাইপ রেফ্রিজারেন্টের মতই। উচ্চচাপযুক্ত রেফ্রিজারেন্ট কনডেন্সারের গিয়ে কনডেন্সড (লিকুইড) হয়ে যাবে। যেহেতু বিউটেন পানিতে অদ্রবণীয়, কাজেই এটি পানিতে ভাসতে থাকবে এবং খুব সহজেই এদেরকে আলাদা করা সম্ভব হবে। এদিকে এমোনিয়া-পানির দ্রবণটি ‘এমোনিয়া জেনারেটরে’ এসে এক্সটারনাল হিট সোর্স দ্বারা উত্তপ্ত হবে (এই এক্সটার্নাল হিটই হচ্ছে পুরা সাইকেলের একমাত্র ইনপুট। আগেই বলেছি, এবসর্পশন সাইকেলের ইনপুট হচ্ছে হিট এনার্জি)। উচ্চ তাপমাত্রায় পানিতে এমোনিয়ার দ্রবণীয়তা ড্রাস্টিকালি ফল করে। ফলে সলিশন থেকে এমোনিয়া আলাদা হয়ে গ্যাসীয় ফর্মে এভাপরেটরে গিয়ে এমোনিয়া-বিউটেন মিশ্রণ তৈরি করবে। এভাবেই সাইকেলটা চলতে থাকবে।

শেষের কথাঃ মজার বিষয় হল আইনস্টাইন রেফ্রিজারেটর পেটেন্টের প্রায় ৭০ বছর পর তত্ত্ব থেকে যন্ত্রটি আলোর মুখ দেখে। জর্জিয়া টেক বিশ্ববিদ্যালয়ের মেকানিকাল ইঞ্জিনিয়ারিং এর পিএইচডি ক্যানডিডেট এন্ডি ডেলানো তার পিএইচডি থিসিস ওয়ার্ক হিসেবে আইনস্টাইন-শিলার্ডের প্রস্তাবিত পদ্ধতিতে এই রেফ্রিজারেটরটি তৈরি করেন এবং সফলভাবে ডেমন্সট্রেশন করতে সক্ষম হন।

নিজের তৈরি আইনস্টাইন রেফ্রিজারেটরের সামনে এন্ডি ডেলানো

ডেলানোর ভাষায়, “Because it has no moving parts, you could make one that would last a hundred years without any kind of maintenance,” আর মুভিং পার্ট না থাকায় রেফ্রিজারেন্ট লিক করার সম্ভাবনা অনেকাংশেই লোপ পায়। আর যেহেতু এটি একটি এবসর্পশন সাইকেল কাজেই এখানে এনার্জি ইনপুট হিসেবে, যেকোন তাপের উৎসই যথেষ্ট, ইলেকট্রিক হিটার কিংবা সোলার হিট যেকোন এক ধরণের হিট সোর্স হলেই হল।

খুব সিম্পল ভাষায় এই হচ্ছে আইনস্টাইন রেফ্রিজারেটরের মূল কথা। প্রশ্ন আসতে পারে এটা তাহলে হোম এপ্লিকেশনে ইউজ হচ্ছে না কেন, এর মূল কারণ হচ্ছে, যেকোন Absorption Cycle এ Compression Cycle অপেক্ষা বেশি কনসিস্টিং এলিমেন্ট লাগে। এনার্জি এফিসিয়েন্ট হলেও কম্প্রেশন সাইকেলের সিমপ্লিসিটি আর ছোট সাইজের জন্য এখন এবসর্পশন সাইকেলগুলো হোম এপ্লিকেশনে জনপ্রিয় হতে পারে নি। কিন্তু ইন্ডাস্ট্রিয়াল পারপাজে এখন এবসর্পশন সাইকেল বহুল ব্যবহৃত এবং এক্ষেত্রে আইনস্টাইন রেফ্রিজারেটর ব্যবহারের যথেষ্ট সুযোগ রয়েছে। তবে এই এখার মূল উদ্দেশ্য ছিল আইনস্টাইন রেফ্রিজারেটরের সাথে সকলকে পরিচয় করিয়ে দেয়া, থিওরিটিকাল ও এক্সপেরিমেন্টাল পদার্থবিদ্যার বাইরেও ইঞ্জিনিয়ারিং এপ্লিকেশনেও আইনস্টাইনের যে একটি ইউনিক অবদান আছে সেটার দিকে দৃষ্টিপাত করা। একই সাথে লিও সিলার্ডের নামটাও ভুলে যাওয়া চলবে না কিন্তু!