गन्ना ईंधन हवाई जहाज कर सकते हैं?

विमानन उद्योग वैश्विक मानव-प्रेरित कार्बन डाइऑक्साइड उत्सर्जन का 2 प्रतिशत उत्पादन करता है। यह हिस्सा अपेक्षाकृत छोटा लग सकता है - परिप्रेक्ष्य, बिजली उत्पादन और 40 प्रतिशत से अधिक के लिए घर के हीटिंग खाते के लिए - लेकिन विमानन दुनिया के सबसे तेजी से बढ़ते ग्रीनहाउस गैस स्रोतों में से एक है। हवाई यात्रा की मांग अगले 20 वर्षों में दोगुनी होने का अनुमान है।

एयरलाइंस अपने कार्बन उत्सर्जन को कम करने के लिए दबाव में हैं, और वैश्विक तेल की कीमतों में उतार-चढ़ाव के प्रति अत्यधिक संवेदनशील हैं। इन चुनौतियों ने बायोमास-व्युत्पन्न जेट ईंधन में मजबूत रुचि पैदा की है। विभिन्न रासायनिक और जैविक मार्गों के माध्यम से, तेल फसलों, चीनी फसलों, स्टार्च वाले पौधों और लिग्नोसेलुलोसिक बायोमास सहित विभिन्न संयंत्र सामग्रियों से जैव-जेट ईंधन का उत्पादन किया जा सकता है। हालांकि, तेल को जेट ईंधन में बदलने की तकनीकें विकास के एक अधिक उन्नत चरण में हैं और अन्य स्रोतों की तुलना में उच्च ऊर्जा दक्षता प्राप्त करती हैं।

हम इंजीनियरिंग गन्ना हैं, जो दुनिया में सबसे अधिक उत्पादक संयंत्र है, जो तेल का उत्पादन करने के लिए जैव-जेट ईंधन में बदल सकता है। हाल के एक अध्ययन में, हमने पाया कि इस इंजीनियर के गन्ने के उपयोग से प्रति एकड़ जमीन पर 2, 500 लीटर से अधिक जैव-जेट ईंधन मिल सकता है। सरल शब्दों में, इसका मतलब है कि एक बोइंग 747 सिर्फ 54 एकड़ भूमि पर उत्पादित जैव-जेट ईंधन पर 10 घंटे तक उड़ान भर सकता है। दो प्रतिस्पर्धी संयंत्र स्रोतों, सोयाबीन और जटरोफा की तुलना में, लिपिडकेन क्रमशः प्रति यूनिट जमीन के बारे में 15 और 13 गुना अधिक जेट ईंधन का उत्पादन करेगा।

दोहरे उद्देश्य वाला गन्ना बनाना

ऑयल-रिच फीडस्टॉक्स, जैसे कि कैमलिना और शैवाल से प्राप्त बायो-जेट ईंधन, अवधारणा उड़ानों के प्रमाण में सफलतापूर्वक परीक्षण किया गया है। अमेरिकन सोसाइटी फॉर टेस्टिंग एंड मटेरियल ने वाणिज्यिक और सैन्य उड़ानों के लिए पेट्रोलियम आधारित जेट ईंधन और हाइड्रोप्रोसेड अक्षय जेट ईंधन के 50:50 मिश्रण को मंजूरी दी है।

हालांकि, महत्वपूर्ण अनुसंधान और व्यावसायीकरण प्रयासों के बाद भी, जैव-जेट ईंधन के वर्तमान उत्पादन मात्रा बहुत कम हैं। बड़े पैमाने पर इन उत्पादों को बनाने के लिए आगे प्रौद्योगिकी सुधार और कम लागत वाले फीडस्टॉक्स (ईंधन बनाने के लिए उपयोग की जाने वाली फसल) की आवश्यकता होगी।

गन्ना एक प्रसिद्ध जैव ईंधन स्रोत है: ब्राजील दशकों से शराब आधारित ईंधन बनाने के लिए गन्ने के रस का किण्वन कर रहा है। गन्ने से इथेनॉल उत्पादन प्रक्रिया के दौरान उपयोग की जाने वाली मात्रा की तुलना में 25 प्रतिशत अधिक ऊर्जा प्राप्त करता है, और जीवाश्म ईंधन की तुलना में ग्रीनहाउस गैस उत्सर्जन में 12 प्रतिशत की कमी करता है।

ब्राजील में गन्ने की कटाई (जोनाथन विल्किंस, CC BY-SA)

हमने सोचा कि क्या हम संयंत्र के प्राकृतिक तेल उत्पादन में वृद्धि कर सकते हैं और बायोडीजल उत्पादन के लिए तेल का उपयोग कर सकते हैं, जो कि अधिक से अधिक पर्यावरणीय लाभ प्रदान करता है। इसे बनाने के लिए बायोडीजल की तुलना में 93 प्रतिशत अधिक ऊर्जा की आवश्यकता होती है और जीवाश्म ईंधन की तुलना में उत्सर्जन में 41 प्रतिशत की कमी आती है। इथेनॉल और बायोडीजल दोनों का उपयोग जैव-जेट ईंधन में किया जा सकता है, लेकिन संयंत्र-व्युत्पन्न तेल को जेट ईंधन में बदलने की तकनीकें विकास के एक उन्नत चरण में हैं, उच्च ऊर्जा दक्षता प्राप्त करती हैं और बड़े पैमाने पर तैनाती के लिए तैयार हैं।

जब हमने पहली बार अधिक गन्ने का उत्पादन करने के लिए इंजीनियरिंग गन्ने का प्रस्ताव रखा, तो हमारे कुछ सहयोगियों ने सोचा कि हम पागल हैं। गन्ने के पौधों में सिर्फ 0.05 प्रतिशत तेल होता है, जो कि बायोडीजल में परिवर्तित करने के लिए बहुत कम है। कई पादप वैज्ञानिकों ने यह सिद्ध किया कि तेल की मात्रा 1 प्रतिशत तक बढ़ाना पौधे के लिए विषाक्त होगा, लेकिन हमारे कंप्यूटर मॉडल ने भविष्यवाणी की कि हम तेल उत्पादन को 20 प्रतिशत तक बढ़ा सकते हैं।

ऊर्जा के उन्नत अनुसंधान परियोजनाओं एजेंसी-ऊर्जा विभाग से समर्थन के साथ, हमने 2012 में गन्ने और सोरघम या PETROSS में तेल को बदलने के लिए प्लांट इंजीनियर नामक एक शोध परियोजना शुरू की। तब से, जेनेटिक इंजीनियरिंग के माध्यम से हमने तेल का उत्पादन बढ़ाया है। गन्ने की पत्तियों में 12 प्रतिशत तेल प्राप्त करने के लिए फैटी एसिड।

PETROSS लिपिडकेन (क्लेयर बेंजामिन / इलिनोइस विश्वविद्यालय, CC BY-ND) से उत्पादित तेल की एक बोतल

अब हम अपने कंप्यूटर मॉडल के अनुसार 20 प्रतिशत तेल - सैद्धांतिक सीमा को प्राप्त करने के लिए काम कर रहे हैं, और इस तेल के संचय को पौधे के तने में लक्षित कर रहे हैं, जहां यह पत्तियों की तुलना में अधिक सुलभ है। हमारे प्रारंभिक शोध से पता चला है कि जैसे ही इंजीनियर पौधे अधिक तेल का उत्पादन करते हैं, वे चीनी का उत्पादन जारी रखते हैं। हम इन इंजीनियर पौधों को लिपिडकेन कहते हैं।

लिपिडकेन से कई उत्पाद

लिपिडकेन किसानों और पर्यावरण के लिए कई फायदे प्रदान करता है। हम गणना करते हैं कि 20 प्रतिशत तेल युक्त लिपिडकेन सोयाबीन की तुलना में प्रति एकड़ पांच गुना अधिक लाभदायक होगा, मुख्य फीडस्टॉक वर्तमान में संयुक्त राज्य अमेरिका में बायोडीजल बनाने के लिए उपयोग किया जाता है, और मकई के रूप में प्रति एकड़ दो बार लाभदायक है।

टिकाऊ होने के लिए, जैव-जेट ईंधन को संसाधित करने के लिए किफायती होना चाहिए और उच्च उत्पादन पैदावार होनी चाहिए जो कृषि योग्य भूमि का उपयोग कम से कम करें। हमारा अनुमान है कि सोयाबीन की तुलना में 5 प्रतिशत तेल युक्त लिपिडकेन प्रति एकड़ जमीन में चार गुना अधिक जेट ईंधन पैदा कर सकता है। 20 प्रतिशत तेल के साथ लिपिडकेन प्रति एकड़ 15 गुना अधिक जेट ईंधन का उत्पादन कर सकता है।

और लिपिडकेन अन्य ऊर्जा लाभ प्रदान करता है। रस निकालने के बाद बचे पौधों के हिस्सों को बगास के रूप में जाना जाता है, भाप और बिजली के उत्पादन के लिए जलाया जा सकता है। हमारे विश्लेषण के अनुसार, इससे बायोफाइनरी को बिजली देने के लिए पर्याप्त से अधिक बिजली पैदा होगी, इसलिए अधिशेष बिजली को ग्रिड में वापस बेचा जा सकता है, जीवाश्म ईंधन से उत्पादित बिजली को विस्थापित करना - गन्ने में इथेनॉल का उत्पादन करने के लिए ब्राजील में कुछ संयंत्रों में पहले से ही इस्तेमाल किया जाने वाला अभ्यास।

एक संभावित अमेरिकी बायोएनर्जी फसल

गन्ना सीमांत भूमि पर पनपता है जो कई खाद्य फसलों के अनुकूल नहीं है। वर्तमान में यह मुख्य रूप से ब्राजील, भारत और चीन में उगाया जाता है। हम अधिक ठंडा-सहिष्णु होने के लिए इंजीनियरिंग लिपिडकेन भी कर रहे हैं ताकि इसे अधिक व्यापक रूप से उठाया जा सके, खासकर दक्षिण-पूर्वी संयुक्त राज्य में कमज़ोर भूमि पर।

शीत-सहिष्णु लिपिडकेन (PETROSS) के बढ़ते क्षेत्र का नक्शा

अगर हम 20 प्रतिशत तेल के साथ दक्षिणपूर्वी संयुक्त राज्य अमेरिका में 23 मिलियन एकड़ जमीन को लिपिडकेन के लिए समर्पित करते हैं, तो हमारा अनुमान है कि यह फसल यूएस जेट ईंधन की आपूर्ति का 65 प्रतिशत उत्पादन कर सकती है। वर्तमान में, मौजूदा डॉलर में, उस ईंधन की एयरलाइनों की लागत US $ 5.31 प्रति गैलन होगी, जो शैवाल या अन्य तेल फसलों जैसे सोयाबीन, कैनोला या ताड़ के तेल से उत्पादित जैव-जेट ईंधन से कम है।

लिपिडकेन को ब्राजील और अन्य उष्णकटिबंधीय क्षेत्रों में भी उगाया जा सकता है। जैसा कि हमने हाल ही में नेचर क्लाइमेट चेंज में रिपोर्ट किया है कि ब्राजील में गन्ने या लिपिडकेन के उत्पादन में काफी विस्तार होने से वर्तमान वैश्विक कार्बन डाइऑक्साइड उत्सर्जन में 5.6 प्रतिशत तक की कमी आ सकती है। यह उन क्षेत्रों पर लागू किए बिना पूरा किया जा सकता है जिन्हें ब्राजील सरकार ने पर्यावरण के प्रति संवेदनशील माना है, जैसे कि वर्षावन।

'एनर्जीकेन' की खोज में

हमारे लिपिडकेन अनुसंधान में आनुवांशिक रूप से इंजीनियरिंग को भी शामिल किया गया है ताकि इसे अधिक कुशलता से प्रकाश संश्लेषण किया जा सके, जो अधिक विकास में तब्दील हो। विज्ञान में 2016 के एक लेख में, हम में से एक (स्टीफन लॉन्ग) और अन्य संस्थानों के सहयोगियों ने प्रदर्शित किया कि तंबाकू में प्रकाश संश्लेषण की दक्षता में सुधार से इसकी वृद्धि 20 प्रतिशत बढ़ गई। वर्तमान में, प्रारंभिक शोध और अगल-बगल के क्षेत्र के परीक्षणों से पता चलता है कि हमने गन्ने की प्रकाश संश्लेषक क्षमता में 20 प्रतिशत और ठंडी परिस्थितियों में लगभग 70 प्रतिशत सुधार किया है।

सामान्य गन्ने (बायें) इंजीनियर पेट्रोस गन्ने के बगल में बढ़ते हैं, जो कि फ्लोरिडा विश्वविद्यालय में फील्ड ट्रायल में काफी लंबा और झाड़ीदार है। (फ्रेडी अल्टपेटर / फ्लोरिडा विश्वविद्यालय, CC BY-ND)

अब हमारी टीम गन्ने की अधिक उपज देने वाली किस्म को इंजीनियर बनाने का काम शुरू कर रही है, जिसे हम प्रति एकड़ अधिक तेल उत्पादन प्राप्त करने के लिए "एनर्जीकेन" कहते हैं। हमारे पास व्यवसायिक रूप से विकसित होने से पहले और अधिक जमीन को कवर करने के लिए है, लेकिन आर्थिक रूप से बायोडीजल और जैव-जेट ईंधन के लिए पर्याप्त तेल के साथ एक व्यवहार्य संयंत्र विकसित करना एक बड़ा पहला कदम है।

संपादक का ध्यान दें: इस लेख को स्पष्ट करने के लिए अद्यतन किया गया है कि 2016 में विज्ञान में प्रकाशित स्टीफन लॉन्ग और अन्य द्वारा अध्ययन में तंबाकू के पौधों में प्रकाश संश्लेषण की दक्षता में सुधार शामिल था।

यह आलेख मूल रूप से वार्तालाप पर प्रकाशित हुआ था।

दीपक कुमार, पोस्टडॉक्टोरल रिसर्चर, यूनिवर्सिटी ऑफ इलिनोइस उरबाना-शैम्पेन

स्टीफन पी। लांग, फसल विज्ञान और पादप जीवविज्ञान के प्रोफेसर, यूनिवर्सिटी ऑफ इलिनोइस के उरबाना-शैंपेन में

विजय सिंह, कृषि और जैविक इंजीनियरिंग के प्रोफेसर और एकीकृत बायोप्रोसेसिंग रिसर्च लेबोरेटरी के निदेशक, उरबाना-शैंपेन में इलिनोइस विश्वविद्यालय