ইলেক্ট্রোক্রোমিক গ্লাস ইঞ্জিনিয়ারিং দিয়ে কাচ কালো হয়ে যাওয়া গাড়িগুলো

ইলেক্ট্রোক্রোমিক কাচ হলো এমন একটি স্মার্ট কাচ প্রযুক্তি, যাতে অল্প ভোল্টেজ প্রয়োগ করলে এর রঙ স্থায়ীভাবে গাঢ় হয়ে যায় এবং ভোল্টেজ উল্টে দিলে আবার স্বচ্ছ হয়ে ওঠে। এতে কোনো চলমান যন্ত্রাংশ নেই; লিথিয়াম আয়নগুলোকে কাচের ভেতরের পাতলা স্তরগুলোর মধ্যে চালানোর কাজটাই করে। Boeing 787-এর পর্দাহীন জানালা থেকে Mercedes-এর গ্লাস রুফ পর্যন্ত এই নীতিই কাজ করে। কিন্তু বালির মতো ক্ষুদ্র আয়নগুলো কীভাবে পুরো কাচকে সানগ্লাসের মতো অন্ধকার করে ফেলতে পারে? চলুন, এই গল্পটা প্রকৌশলের দিক থেকে বলি।

ইলেক্ট্রোক্রোমিক কাচ কীভাবে অন্ধকার হয়? লিথিয়াম আয়নের বিজ্ঞান

ধারণাটির ভিত্তি 1969 সালে: ড. সত্যেন কে. Satyen K. ডেব কঠিন টাংস্টেন অক্সাইডে (WO3) ইলেক্ট্রোক্রোমিজম - অর্থাৎ কোনো পদার্থের রঙ তড়িৎরাসায়নিক উপায়ে প্রত্যাবর্তনযোগ্যভাবে পরিবর্তিত হতে পারে - এই ঘটনাটি আবিষ্কার করেন। WO3 জালিকায় লিথিয়াম (Li+) বা প্রোটন (H+) আয়ন প্রবেশ করলে পদার্থটি স্বচ্ছ অবস্থা থেকে গাঢ় নীলে পরিণত হয়; আয়নগুলো সরিয়ে নিলে আবার স্বচ্ছ হয়ে ওঠে। এটাকে কিছুদিনের জন্য ঘরের স্টিকারের পেছনে মাখানো আঠার মতো ভাবুন:

পদার্থ জায়গায়ই থাকে, কিন্তু তার ভেতরে "কিছু" যোগ করলেই আচরণ বদলে যায়। এখানে যোগ করা জিনিসটি হলো আয়ন, আর যা বদলায় তা হলো পদার্থের আলো শোষণের ধরন। এখানে যোগ করা হয় আয়নগুলোকে, আর যা বদলায় তা হলো পদার্থের আলো শোষণের ধরন। চলন্ত জালুসি, পর্দা বা ঘূর্ণায়মান ল্যামেল নেই - শুধু স্তরগুলোর মাঝে ক্ষুদ্র আয়ন স্থানান্তর।

একটি ইলেক্ট্রোক্রোমিক কাচ আসলে পাঁচটি স্তরের তৈরি অতি পাতলা একটি স্যান্ডউইচ:

দুই পাশে স্বচ্ছ পরিবারী অক্সাইডের (TCO) ইলেক্ট্রোড, আর মাঝে তিনটি কার্যকরী স্তর। ক্যাথোডিক ইলেক্ট্রোক্রোমিক স্তরটি প্রায় প্রতিবারই টাংস্টেন ট্রাইঅক্সাইড (WO3); তার পাশে আয়নগুলোর চলাচলের পথ হলো আয়ন পরিবারী ইলেক্ট্রোলাইট; আর তার অন্য পাশে থাকে নিকেল অক্সাইড (NiO) বা ভ্যানাডিয়াম পেন্টঅক্সাইডের (V2O5) মতো অ্যানোডিক আয়ন সঞ্চয় স্তর। এর অন্য পাশে থাকে নিকেল অক্সাইড (NiO) বা ভ্যানাডিয়াম পেন্টঅক্সাইডের (V2O5) মতো অ্যানোডিক আয়ন সঞ্চয় স্তর।

ক্লাসিক কাঠামোয় লিথিয়াম আয়নগুলো সাধারণত লিথিয়াম কোবাল্ট অক্সাইড (LiCoO₂) অভ্যন্তরীণ ইলেক্ট্রোডে অপেক্ষা করে। ছোট একটি ভোল্টেজ প্রয়োগ করলে আয়নগুলো ইলেক্ট্রোলাইট পেরিয়ে পলিক্রিস্টালাইন WO₃ স্তরে প্রবেশ করে - একে "ইন্টারক্যালেশন", অর্থাৎ স্তরের মাঝে প্রবেশ বলা হয়। ফলাফল: আর এখানেই সবচেয়ে মিষ্টি অংশ: আর এই তো, সবচেয়ে মিষ্টি অংশ: ভোল্টেজ বিচ্ছিন্ন হলেও আয়নগুলো তাদের জায়গায় থেকে যায়। বিপরীত ভোল্টেজ না আসা পর্যন্ত কাচ স্বচ্ছ হয় না।

"একটি ইলেকট্রোক্রোমিক ডিভাইসকে চার্জের অবস্থা অপটিক্যালি দেখানো একটি পাতলা ব্যাটারি হিসেবে কল্পনা করাই এর সবচেয়ে সহজ ব্যাখ্যা।"

তুলনাটি একদম নিখুঁতভাবে মিলে গেছে: আপনার ফোনের লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারির সাথে হুবহু একই নীতি। যেমনটি প্রমাণিত, 1992 সালের একটি প্যাটেন্ট এই যন্ত্রকে স্পষ্টভাবে "ইলেক্ট্রোক্রোমিক জানালা এবং/অথবা রিচার্জেবল ব্যাটারি হিসেবে ব্যবহারযোগ্য" বলে সংজ্ঞায়িত করে। বিদ্যুৎ শুধু অবস্থা পরিবর্তনের জন্য প্রয়োজন; গাঢ় বা স্বচ্ছ অবস্থা ধরে রাখতে কোনোটিই লাগে না।

ভোল্টেজ, সময় এবং সংখ্যা: বাস্তবে কত দ্রুত?

ড্রাইভিং ভোল্টেজ সাধারণত 3-5 V DC; কিছু সাশ্রয়ী নকশায় অন্ধকারে যাওয়ার জন্য 3.5-4 V এবং ফিরে ম্লান হওয়ার জন্য -3.0 থেকে -2.5 V ব্যবহার করা হয়। আলোক প্রবেশ্যতা দৃশ্যমান পরিসরে 10%-70% এর মধ্যে পরিবর্তিত হতে পারে; কিছু বাণিজ্যিক পণ্য 60% থেকে 1% এ নেমে আসা টিন্টিংয়ের প্রতিশ্রুতি দেয়।

ব্যাপারটার বিরক্তিকর দিক হলো গতি। আয়নগুলো স্তরের ভেতরে বিসরণের মাধ্যমে ছড়ায় বলে ইলেক্ট্রোক্রোমিক সিস্টেমে রূপান্তর সাধারণত 3-20 মিনিট সময় নেয় - বড় স্থাপত্যিক কাচে এটিই শিল্পের প্রধান বাণিজ্যিক বাধা। কিছু সমাধান সম্পূর্ণ অন্ধকার হতে 3 মিনিটের মতো স্বল্প সময় জানায়, আবার প্রস্তুতকারকেরা সাধারণ 10 মিনিটের রূপান্তরকে 1 মিনিটের নিচে নামানোর উপায় খুঁজছেন। আর সৎ থাকা যাক: কাচ কখনো সম্পূর্ণ কালো হয় না - গাঢ় অবস্থাতেও কিছুটা আলো ঢুকতে দেয় - আবার সম্পূর্ণ স্বচ্ছও দেখায় না; হালকা একটি ধোঁয়াটে আভা সবসময় থেকে যায়। প্রথম অবস্থায় জানালাটি হালকা নীলচে থাকে।

PDLC এবং SPD: অন্ধকার করার বিকল্প পথগুলো

ইলেক্ট্রোক্রোমিক কাচ একা নয়; তার মঞ্চে দুটি জনপ্রিয় প্রতিযোগী আছে। যদি আপনি ঘোলাটে কাচের মতো রহস্যময় গোপনীয়তার প্রভাব চান, তাহলে যে প্রযুক্তির সঙ্গে পরিচয় করা দরকার সেটি হলো PDLC: পলিমার ডিসপার্সড লিকুইড ক্রিস্টাল। কারেন্ট চালু থাকলে ক্রিস্টালগুলো সারিবদ্ধ হয় এবং আলো ঢুকতে দেয়; কারেন্ট বন্ধ হলে এগুলো এলোমেলোভাবে সাজানো হয়, আলো ছড়িয়ে দেয় এবং কাচটি ঘোলাটে দেখায়। SPD (dispersed particle) ছোট কণাগুলোকে বিদ্যুতের মাধ্যমে সারিবদ্ধ করে একই রকম কাজ করে।

PDLC UV-এর 80-90% ব্লক করে কিন্তু NIR মাত্র 12-38% এর মধ্যে মডুলেট করে; অর্থাৎ গোপনীয়তা চমৎকার, তাপ নিয়ন্ত্রণ সীমিত। ইলেক্ট্রোক্রোমিক কাচ ধীর ও ব্যয়বহুল, কিন্তু ক্রমিক টোন সরবরাহ করে এবং বিনামূল্যে তার অবস্থা ধরে রাখে। সংক্ষেপে, একজন হলো তাৎক্ষণিক পর্দা, অন্যজন ধীর কিন্তু বুদ্ধিমান একটি সানগ্লাস।

সস্তা "স্মার্ট ফিল্ম" কি সত্যিই ইলেক্ট্রোক্রোমিক?

ইন্টারনেটে বিক্রি হওয়া সস্তা আঠালো ফিল্মগুলোর বেশিরভাগই ইলেক্ট্রোক্রোমিক নয়; এগুলো LCD-সদৃশ লিকুইড ক্রিস্টাল ব্যবহার করে। একটি সাধারণ উদাহরণ: 0.35 মিমি পুরুত্বের ফিল্ম, স্বচ্ছ অবস্থায় আলোর প্রায় 98% যাওয়া দেয়, এক তৃতীয়াংশ সেকেন্ডে অস্বচ্ছ হয়ে যায় (প্রবেশ্যতা এক-তৃতীয়াংশে নেমে আসে) এবং 3 মিলিয়ন বার সুইচ করার জন্য পরীক্ষিত। চমৎকার সংখ্যা, কিন্তু প্রযুক্তিটি সম্পূর্ণ আলাদা পরিবারের। এছাড়াও লেমিনেটেড স্মার্ট কাচকে পরবর্তীতে লাগানো ফিল্মের চেয়ে বেশি স্বচ্ছ ও সমজাতীয় মনে করা হয়। দাম জানতে চাইলে: বড় একটি স্মার্ট জানালার দাম প্রায় প্রতি বর্গমিটারে 500-1000 USD; ইলেকট্রোক্রোমিক জানালা উৎপাদনের জটিলতার কারণে থার্মোক্রোমিক কাচের চেয়েও দামি।

Mercedes থেকে Boeing পর্যন্ত: বাস্তব জীবনের প্রয়োগ

অটোমোটিভ জগতের সবচেয়ে বিখ্যাত উদাহরণ হলো Mercedes-এর MAGIC SKY CONTROL কাচের ছাদ। প্রথমবার 2012 সালে SLK-এর প্যানোরামিক ছাদে দেখা যায়, পরে 2019 সালের S-Class (W222) এবং MBUX-এর সাথে সংযুক্ত, বিভাজিত ছাদযুক্ত GLC-তেও স্থান পায়। এই প্রযুক্তি SPD-SmartGlass-এর ওপর ভিত্তি করে: প্লেট ক্যাপাসিটর পদার্থবিজ্ঞানের কারণে, ভোল্টেজ প্রয়োগ করলে ভেতরের ক্ষুদ্র কণাগুলো সারিবদ্ধ হয় এবং ছাদ স্বচ্ছ হয়ে ওঠে। ভোল্টেজ বন্ধ হলে - যেমন অন্ধকারে বা পার্কিং অবস্থায় - ছাদ গাঢ় অবস্থায় ফিরে যায়। SLK ব্যবহারকারীরা তাপ স্থানান্তর হ্রাসে এর কার্যকারিতা ফোরামে বারবার নিশ্চিত করেছেন।

বিমানচালনার দিকে তারকা হলো Boeing 787 Dreamliner: কেবিনের জানালায় রয়েছে Gentex-এর তৈরি জেল-ভিত্তিক ইলেকট্রোক্রোমিক জানালা, যা শাটলের কথা মনে করিয়ে দেওয়া পর্দাগুলোকে ইতিহাসের গর্ভে পাঠিয়ে দিয়েছে। যাত্রীরা বোতাম দিয়ে টোন নিয়ন্ত্রণ করেন, কেবিন কর্মীরা ফ্লাইটের পর্যায় অনুযায়ী তা লক করেন। এই জানালাগুলো এখন পর্যন্ত একটি যাত্রীবাহী জেটের সবচেয়ে বড় জানালা - স্ট্যান্ডার্ডের চেয়ে প্রায় 65% বড়। সবচেয়ে নতুন প্রজন্মের ডার্কেনিং কাচ 0.001%-এর নিচে আলোর স্থানান্তর ক্ষমতা প্রদান করে; অর্থাৎ সবচেয়ে গাঢ় সেটিংয়ে পুরো চার মাত্রা পর্যন্ত বেশি অন্ধকার।

তাপীয় লোড ও শক্তি: ডার্কেনিং কাচ কি অর্থ উপার্জন করে?

সংখ্যাগুলো চমকপ্রদ। যুক্তরাষ্ট্রে ভবনগুলো ব্যবহৃত বিদ্যুতের 71% ব্যবহার করে এবং এর প্রায় 30% জানালা থেকে বেরিয়ে যাওয়া শক্তি পুষিয়ে দিতে ব্যয় হয়। গাঢ় অবস্থায় থাকা একটি ইলেকট্রোক্রোমিক কাচে পড়া সূর্যের আলোর প্রায় 98% ব্লক করে; অস্বচ্ছ অবস্থায় কাছাকাছি ইনফ্রারেড (780-2300 nm) ব্যান্ড শোষণ বা প্রতিফলিত করে। গ্রীষ্মের অযনান্তে দক্ষিণমুখী দেয়ালে স্মার্ট জানালা শীতলীকরণ লোড 30.8%-46.1% পর্যন্ত কমাতে পারে; শীতলীকরণ ও আলোর শীর্ষ শক্তির ব্যবহারে প্রায় 20% হ্রাসের পূর্বাভাস দেওয়া হয়েছে।

সিস্টেমের নিজস্ব ব্যবহার অবশ্য হাস্যকর রকমের কম: 100টি জানালার সুইচিং শক্তি একটি একক ইনক্যান্ডেসেন্ট বাল্বের কাছাকাছি। উপরন্তু, এটি 3-5 V DC দিয়ে কাজ করে, তাই ফ্রেমে স্থাপিত ছোট ফটোভোলটাইক কোষ দিয়েও চালানো সম্ভব। তাই দীর্ঘমেয়াদে ইলেকট্রোক্রোমিক কাচ ক্রমাগত শক্তির প্রয়োজন এমন PDLC-এর চেয়ে শক্তির দিক থেকে আরও আরামদায়ক পছন্দ।

প্রকৌশলের কঠিন দিক: স্থায়িত্ব, উৎপাদন ও অবক্ষয়

তাহলে সবাই কেন এটি করছে না? উত্তর: ইলেকট্রোলাইট। সুইচিং গতি Li⁺/H⁺ বিস্তারের দ্বারা সীমাবদ্ধ এবং ইলেকট্রোলাইট থেকে একসাথে সবকিছু চাওয়া হয়: উচ্চ আয়নিক পরিবাহিতা, ইলেকট্রনিক নিরোধক, বিস্তৃত তাপমাত্রা পরিসরে মাত্রিক স্থিতিশীলতা এবং হাজার হাজার চক্রে তড়িৎ-রাসায়নিক সহনশীলতা। একে অপরের বিপরীত প্রয়োজনীয়তাগুলোর সবগুলো একসাথে পূরণ করে এমন উপাদান খুঁজে বের করা প্রকৌশলের সবচেয়ে প্রিয় অসম্ভব কাজগুলোর একটি।

অবক্ষয় একটি মাত্র কারণ থেকে আসে না; অন্তত চারটি পরস্পর-সম্পর্কিত প্রক্রিয়া রয়েছে: আয়ন চক্রায়নের সৃষ্ট ল্যাটিসের আয়তনিক চাপ মাইক্রো-ফাটল এবং খোসা ছাড়ার দিকে নিয়ে যায়; UV ফটোকেমিক্যাল বিক্রিয়াগুলো অস্থিতিশীল রঙীনকরণ এবং স্থায়ী কালচে ভাব সৃষ্টি করতে পারে; ইন্টারফেসে প্রবেশ করা আর্দ্রতা এবং থার্মাল সাইকেলের চাপ কাজটি শেষ করে দেয়। লক্ষ্য আয়ু 20-30 বছর; বর্তমান জানালাগুলো 10-20 বছর পরে কর্মক্ষমতা হারাতে পারে।

উৎপাদনের দিক থেকে কাজটি আরও জটিল: এক বর্গমিটারের বেশি প্যানেলগুলোতে PVD (ম্যাগনেট্রন স্পাটারিং) দিয়ে ফিল্মের বেধ ধরে রাখতে হয়; কয়েক ন্যানোমিটারের পার্থক্যও চোখে দেখা যায় এমন রঙের গভীরতার তারতম্য সৃষ্টি করে। TCO ইলেকট্রোডের রোধের সমসত্ত্বতা নষ্ট হলে কাচের কিনারা কেন্দ্রের চেয়ে ধীরে কালো হয় - "RC delay" প্রভাব। প্রতিটি প্যানেলে সুনির্দিষ্ট ভোল্টেজ ওয়েভফর্ম প্রদানকারী পাওয়ার সাপ্লাইগুলোর ক্ষেত্রে বড় স্থাপনায় বিল্ডিং ম্যানেজমেন্ট সিস্টেমের সাথে সমন্বয় এবং অতিরিক্ত চালনায় স্থায়ী সাদা হয়ে যাওয়া/কালো হওয়ার আর্টিফ্যাক্টের ঝুঁকিও আছে। প্রধান পেটেন্টধারীদের মধ্যে View Inc., Saint-Gobain এবং AGC-এর মতো দৈত্যরা রয়েছে; অটোমোটিভ স্মার্ট গ্লাস বাজার 2030-এর দশকের শুরুতে 6-9 বিলিয়ন ডলারের ব্যান্ডে পৌঁছাবে এমন পূর্বাভাসও এই তাগিদের প্রমাণ।

উপসংহার: ধীর কিন্তু ধৈর্যশীল একটি প্রযুক্তি

ইলেকট্রোক্রোমিক কাচ হলো বিদ্যুতে "চার্জ হওয়া" একটি ব্যাটারির মতো আচরণ করা এক সুন্দর প্রকৌশল পণ্য: প্রয়োজনের সময় 98% পর্যন্ত আলো ও তাপ আটকায়, কাজ শেষ হলে প্রায় কোনো শক্তি খরচ করে না। PDLC-এর বিরুদ্ধে গতিতে, দ্রুত পরিবর্তনশীল পরিবেশগত অবস্থার বিরুদ্ধে ধৈর্যে হারে; কিন্তু আজীবন কম পরিচালন ব্যয় এবং ধাপে ধাপে আরাম এটিকে ভবন ও বিমানে এগিয়ে রাখে। একদিন আপনার গাড়ির পাশের জানালাও বোতামে চাপে কালো হলে অবাক হবেন না - পদার্থবিজ্ঞান অনেক আগেই প্রস্তুত। আর আপনি হলে কি ছাদটা সবসময় খোলা থাকত, নাকি সবসময় বন্ধ?

তথ্যসূত্র

• How do electrochromic and other 'smart' windows work?
• Engineering Challenges in Next-Generation Electrochromic Smart Window Systems
• Performance assessment of SageGlass electrochromic glazing
• Electrically powered active smart windows - Gadgil et al.
• Optimized Physical Properties of Electrochromic Smart Windows - Kim et al.
• Design and Implementation of Electrochromic Smart Windows - Xie et al.
• MAGIC SKY CONTROL function - Mercedes-Benz Owner's Manual (S-Class W222)
• Function of the panoramic roof with SKY CONTROL - MBUSA (GLC)
• Gentex electronically dimmable windows brochure
• Electronically Dimmable Aircraft Windows
• Electrochromic Glass vs. PDLC Smart Glass
• Electrochromic Materials - Lawrence Berkeley National Laboratory
• Automotive Smart Glass Market