পেট্রোলিয়াম/বিটুমেন থেকে কার্বন ফাইবার কীভাবে "কালো সোনা"-এ পরিণত হয়?

বিশ্বাস করতে পারছেন? 300কিমি/ঘন্টা বেগে শাটলকক আঘাত করার সক্ষম অলিম্পিক চ্যাম্পিয়নদের র‍্যাকেটের কাঠামো, 2.3 সেকেন্ডে 0-100কিমি/ঘন্টা দৌড়ে সক্ষম এফ1 গাড়ির দেহ, এমনকি বায়ুমণ্ডল ভেদ করে যাওয়া মহাকাশ রকেটের বাইরের খোলস—এই সবকিছুর মূল ভিত্তি হল তেল পরিশোধনের পর ফেলে দেওয়া 'কালো অবশিষ্ট'?

আজ আমরা উপাদান বিজ্ঞানের 'অগ্রণী' কার্বন ফাইবারের অসাধারণ উত্থান নিয়ে আলোচনা করব। জেনে নিন কীভাবে সাধারণ পেট্রোলিয়াম অ্যাসফাল্ট অসংখ্য পরীক্ষা সহ্য করে 'কালো সোনা' হিসেবে পরিণত হয়েছে, যার মূল্য রূপোর চেয়েও বেশি!

এটিকে কেন "কালো সোনা" বলা হয়?
এই রূপান্তরের যাত্রা শুরু করার আগে, আসুন প্রথমে একটি মৌলিক প্রশ্নের উত্তর খুঁজি: কার্বন ফাইবারকে কেন প্রায়শই সোনার সঙ্গে তুলনা করা হয়?
(1) এর দাম সত্যিই 'সোনার যোগ্য': স্ট্যান্ডার্ড কার্বন ফাইবারের দাম কয়েক হাজার ইউয়ান প্রতি কিলোগ্রাম, আর উচ্চপর্যায়ের মহাকাশ-গ্রেড কার্বন ফাইবারের দাম প্রতি কিলোগ্রামে 20,000 ইউয়ান পর্যন্ত হতে পারে – রূপোর (প্রায় 5 ইউয়ান প্রতি গ্রাম) চেয়েও বেশি দামি।

(2) কার্যকারিতা অত্যন্ত চমকপ্রদ: ইস্পাতের মাত্র এক-চতুর্থাংশ ওজনের হলেও এর শক্তি দশগুণ বেশি, এটি তীব্র অ্যাসিডে ক্ষয় হয় না এবং -180°C উষ্ণতায় ভঙ্গুর হয় না।

(3) এর বিরলতা সত্যিই অভূতপূর্ব: বিশ্বব্যাপী মাত্র এক ডজন বা তার বেশি দেশের কাছেই এর বৃহৎ উৎপাদন প্রযুক্তি রয়েছে, আর উচ্চমানের কার্বন ফাইবারকে "কৌশলগত উপাদান" হিসাবে শ্রেণীভুক্ত করা হয় – যা এমনকি চাইলেও সংগ্রহ করা কঠিন করে তোলে।

এই "সবকিছুতে দক্ষ" পদার্থটি উৎপন্ন হয় পেট্রোলিয়াম পরিশোধনের উপজাত পদার্থ অ্যাসফাল্ট থেকে – যেন কয়লার ঢিবি থেকে হীরা উত্তোলনের মতো, যেখানে প্রতিটি ধাপই আশ্চর্যে পরিপূর্ণ।

অ্যাসফাল্ট থেকে কার্বন ফাইবার: একটি পাঁচ-ধাপের 'রসায়ন' প্রক্রিয়া, যেখানে একটি ধাপও এড়ানো যাবে না!

প্রথম ধাপ: উপাদান নির্বাচন — স্রেষ্ঠ থেকে স্রেষ্ঠতম: প্রিমিয়াম বিটুমেন
সব বিটুমেনই পুনরুদ্ধার করা সম্ভব নয়। আমরা যে বিটুমেন সাধারণত রাস্তা নির্মাণের জন্য ব্যবহার করি তাতে খুব বেশি অপদ্রব্য থাকে এবং কার্বনের পরিমাণ কম থাকায় তা অনুপযুক্ত হয়ে ওঠে। শুধুমাত্র "বিশেষ শ্রেণির বিটুমেন", যার উচ্চ বিশুদ্ধতা, উচ্চ কার্বন সামগ্রী (90%), এবং কম সালফার ও ধাতব সামগ্রী রয়েছে, তা-ই কার্বন ফাইবার উৎপাদনের জন্য ব্যবহার করা যেতে পারে।

প্রকৌশলীরা দ্রাবক নিষ্কাশন পদ্ধতি ব্যবহার করে অ্যাসফাল্টকে "স্নান" করান: সালফার, নাইট্রোজেন এবং ভারী ধাতুর মতো অপদ্রব্যগুলি ছাঁকার জন্য এটিকে বিশেষ দ্রাবকে ডুবিয়ে রাখা হয়, যেমন বালি ছাঁকার মতো। এরপর আংশিক পাকন পদ্ধতি এটির আণবিক গঠনকে পরিশোধিত করে, যা এটিকে তন্তুতে টানার এবং উচ্চ তাপমাত্রা সহ্য করার সম্ভাবনা প্রদান করে।

এই পর্যায়টি খেলোয়াড় নির্বাচনের মতো: শুধুমাত্র যাদের "দৃঢ় ভিত্তি" আছে তারাই পরবর্তী ঘনিষ্ঠ প্রশিক্ষণ সহ্য করতে পারে।

পদক্ষেপ দুই: তন্তু উৎপাদন — চুলের চেয়ে দশ গুণ সরু "সোনালি তন্তু" টেনে বের করা।
পরিশোধিত বিটুমেনকে 200–300°C তাপমাত্রায় উত্তপ্ত করা হয়, যা একটি মধুর মতো ঘন তরল "গলিত"-এ পরিণত হয়। এই গলিত তরলকে তারপর 5–50 মাইক্রোমিটার ব্যাসের (মানুষের চুলের 50–100 মাইক্রোমিটারের তুলনায়) অসংখ্য ছোট ছিদ্রযুক্ত "স্পিনারেট প্লেট" এর মধ্য দিয়ে চাপ দিয়ে ঠেলে দেওয়া হয়—যা এমব্রয়ডারি সূঁচের চেয়েও সূক্ষ্ম!

এই ছিদ্রগুলির মাধ্যমে নিঃসৃত অ্যাসফাল্ট তন্তুগুলি তৎক্ষণাৎ ঠাণ্ডা জল বা শীতল বাতাসে ডুবিয়ে দেওয়া হয় যাতে তারা "ঠাণ্ডা ও সেট হয়ে যায়", এবং অবিচ্ছিন্ন "অ্যাসফাল্ট তন্তুর সুতা" তৈরি হয়। এই পদক্ষেপটি অসাধারণ কারিগরি দক্ষতা দাবি করে: খুব সামান্য উচ্চতর নিঃসরণ গতিতে তন্তুগুলি ছিঁড়ে যায়; আরও কম শীতল তাপমাত্রা তাদের ভঙ্গুর করে তোলে; এমনকি একটি মাত্র ছিদ্র বন্ধ থাকলেও সম্পূর্ণ ব্যাচের তন্তু অব্যবহারযোগ্য হয়ে পড়ে।

এটিকে হয়তো "কৃত্রিমভাবে রেশম পোকার কোকুন তৈরি করা" বলা যেতে পারে, শুধুমাত্র এখানে নিঃসৃত "তন্তু" রেশমের চেয়ে দশ গুণ সূক্ষ্ম।

ধাপ তিন: প্রি-অক্সিডেশন — তন্তুটিকে একটি "অগ্নিরোধী পোশাক" পরানো
সদ্য তৈরি অ্যাসফাল্ট ফিলামেন্ট একটি নাজুক জিনিস: এটি সামান্য টানেই ছিঁড়ে যায় এবং সামান্য স্পার্কেই আগুন ধরে যায়। এটিকে শক্তিশালী ও স্থিতিস্থাপক করতে প্রথম পদক্ষেপ হল এটিকে অগ্নিরোধী করা।

আদি ফিলামেন্টটিকে 150-300°C তাপমাত্রায় গরম করা চুলায় রাখা হয়, যেখানে এটি বেশ কয়েক ঘণ্টা ধরে বাতাসে ধীরে ধীরে উত্তপ্ত হয়। এই প্রক্রিয়ায় অ্যাসফাল্ট ফিলামেন্ট থেকে হাইড্রোজেন ও অক্সিজেন উপাদানগুলি ধীরে ধীরে বেরিয়ে যায়। এর আণবিক গঠন রৈখিক অবস্থা থেকে জালের মতো অবস্থায় পরিণত হয় এবং এর রঙ কালো থেকে গাঢ় বাদামি হয়ে যায়। গুরুত্বপূর্ণভাবে, এটি অগ্নিরোধী হয়ে ওঠে!

এই পদক্ষেপটি একেবারেই বাদ দেওয়া যাবে না: প্রি-অক্সিডেশন না করে সরাসরি উচ্চ তাপমাত্রার প্রক্রিয়াকরণে চলে গেলে অ্যাসফাল্ট তন্তু তৎক্ষণাৎ পুড়ে যাবে, যার ফলে আগের সমস্ত চেষ্টা বৃথা হয়ে যাবে। তদুপরি, উত্তপ্ত করার হার ধীর হতে হবে; তাড়াহুড়ো করলে তন্তুর ভিতরে "অসম অভ্যন্তরীণ চাপ" তৈরি হবে, যার ফলে ফাটল ধরবে।

ধাপ চার: কার্বনাইজেশন — উচ্চ তাপমাত্রায় পরিশোধন করে "পিউর কার্বন স্কেলেটন" তৈরি করা
কার্বনাইজেশন চুল্লিতে "চূড়ান্ত পরীক্ষা"-এর জন্য কাঁচা ফিলামেন্ট, এখন "অগ্নিরোধী পোশাক" পরিহিত, তাপমাত্রা 1000 থেকে 1800°C এর মধ্যে চলে এমন একটি চুল্লিতে প্রবেশ করতে হয় এবং অবশ্যই একটি অক্সিজেন-মুক্ত পরিবেশ বজায় রাখতে হয় (অন্যথায় কার্বন কার্বন ডাই অক্সাইডে জারিত হয়ে যাবে)।

এই চরম তাপমাত্রার নিচে, ফিলামেন্টের ভিতরে কার্বন ছাড়া অন্যান্য মৌলগুলির (যেমন হাইড্রোজেন এবং নাইট্রোজেন) শেষ চিহ্নগুলি গ্যাসের আকারে "পলায়ন" করে। যা অবশিষ্ট থাকে তা প্রায় বিশুদ্ধ কার্বন (90% কার্বন সামগ্রী), যার আণবিক কাঠামো "গ্রাফাইটের মতো ক্রিস্টাল"-এ সুসজ্জিত হয়। এই পর্যায়ে, "অ্যাসফাল্ট ফিলামেন্ট" আনুষ্ঠানিকভাবে "কার্বন ফাইবার প্রিকার্সর"-এ উন্নীত হয়!

কার্বনাইজেশন তাপমাত্রা সরাসরি কার্বন ফাইবারের মান নির্ধারণ করে: প্রায় 1000°C তাপমাত্রায় সাধারণ শিল্প-গ্রেড কার্বন ফাইবার উৎপাদন করা যায়, অন্যদিকে এয়ারোস্পেস-গ্রেডের জন্য 2000°C-এর বেশি তাপমাত্রার প্রয়োজন। এটি আরও সুসংহত কার্বন ক্রিস্টাল গঠন এবং কয়েকগুণ বৃদ্ধি পাওয়া শক্তির দিকে নিয়ে যায়, যা স্বাভাবিকভাবেই দাম বাড়িয়ে দেয়।

পঞ্চম ধাপ: পৃষ্ঠতল চিকিত্সা — কার্বন ফাইবারের জন্য সংযোগ স্থাপন
সদ্য কার্বনাইজড কার্বন ফাইবারের পৃষ্ঠতল কাচের মতো মসৃণ হয়, যা রজন বা ধাতুর মতো উপকরণের সাথে যুক্ত হওয়ার সময় 'পিছলে' যায় – যেমন দুটি মসৃণ কাচের টুকরোকে চাপ দিয়ে রাখা হয়, কিন্তু হঠাৎ করে আলাদা হয়ে যায়। চিকিত্সাপ্রাপ্ত কার্বন ফাইবার তারপর কাপড়ে বোনা হয় (আগে আলোচিত কার্বন ফাইবার কাপড়) অথবা ছোট তন্তুতে কাটা হয়, যা সংমিশ্রণ উপকরণগুলির "কোর স্কেলেটন" গঠন করে।
এই পর্যায়ে, অ্যাসফাল্ট দিয়ে শুরু হওয়া 2-3 মাসের "রূপান্তর" যাত্রা অবশেষে সম্পূর্ণ হয়।

এই অজানা তথ্যগুলি 90% মানুষের কাছে অজানা!

1. সব কার্বন ফাইবারই পেট্রোলিয়াম পিচ থেকে উৎপন্ন হয় না: পেট্রোলিয়াম পিচের পাশাপাশি, পলিঅ্যাক্রাইলোনিট্রাইল (PAN) এবং ভিসকোজ তন্তু দিয়েও কার্বন ফাইবার তৈরি করা যায়। বিশ্বব্যাপী উৎপাদনের 90% PAN-ভিত্তিক কার্বন ফাইবার, যেখানে পিচ-ভিত্তিক কার্বন ফাইবার উচ্চ-প্রান্ত, উচ্চ-শক্তির অ্যাপ্লিকেশনের জন্য আরও উপযুক্ত।

2. এক টন কার্বন ফাইবার উৎপাদনে 20 টন কাঁচামাল খরচ হয়: পিচ থেকে কার্বন ফাইবার পর্যন্ত, উৎপাদন হার 5%-এর নিচে নেমে আসে। এটা কতটা দামি তা বোঝার জন্য এটাই যথেষ্ট।

3. চীন একচেটিয়া দখলদারিত্ব ভেঙেছে: আগে, উচ্চ-প্রান্তের কার্বন ফাইবার ইউরোপ, আমেরিকা এবং জাপানের নিয়ন্ত্রণে ছিল। এখন, চীন T1100-গ্রেড কার্বন ফাইবার (মহাকাশ-গ্রেড) বৃহৎ পরিমাণে উৎপাদন করতে সক্ষম হয়েছে, যার মূল্য আমদানিকৃত পণ্যের চেয়ে 30% কম।

কী ধরনের কার্বন ফাইবার পণ্যসমূহ আপনি কোনগুলি দেখেছেন?
কার্বন ফাইবার আসলে আমাদের দৈনন্দিন জীবনের খুব দূরে নয়: মহাকাশ এবং মোটরস্পোর্টের পাশাপাশি, এটি এখন উচ্চ-প্রান্তের সাইকেলের ফ্রেম, ড্রোনের বাহু এবং এমনকি মোবাইল ফোনের কেসেও ব্যবহৃত হয়।

আপনি কি আপনার চারপাশে কার্বন ফাইবারের পণ্যগুলি দেখেছেন? অথবা এই উপাদানটির ভবিষ্যতের কী কী প্রয়োগ আপনি কল্পনা করেন? মন্তব্যে আপনার মতামত জানান!

কয়েক মাসের জন্য সাধারণ পেট্রোলিয়াম অ্যাসফাল্ট অসাধারণ রূপান্তরের মধ্য দিয়ে গেল, উচ্চ-পর্যায়ের উৎপাদনের ভিত্তি হওয়া 'কালো সোনা'-এ পরিণত হয়ে। এর পিছনে রয়েছে অগুনতি প্রকৌশলীদের মিলিমিটার-স্তরের নির্ভুলতার জন্য অক্লান্ত চেষ্টা, পাশাপাশি মানবজাতির উপকরণ বিজ্ঞানের সীমানা চাপিয়ে দেওয়ার অব্যাহত চেষ্টা। পরবর্তী বার যখন আপনি কার্বন ফাইবারের কোনো পণ্য দেখবেন, তখন হয়তো মনে করবেন: এটি একসময় ছিল মাত্র পেট্রোলিয়ামের বর্জ্য অবশিষ্টাংশের মতোই।