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Experiments on Settling of Granular and Cohesive Material in Low Gravity

यह शोध पत्र एक ज़ीरो-ग्रेविटी ड्रॉप टॉवर में एक लीनियर स्टेज का उपयोग करके कम गुरुत्वाकर्षण का अनुकरण करते हुए किए गए प्रयोगों को प्रस्तुत करता है, जो यह प्रदर्शित करता है कि दानेदार पदार्थ कमजोर गुरुत्वाकर्षण क्षेत्रों में कम पैकिंग घनत्व प्रदर्शित करते हैं और उनकी यह संवेदनशीलता कण के आकार, खुरदरेपन और एकरूपता पर निर्भर करती है, जिससे कम-गुरुत्वाकर्षण वाले वातावरण में संसंजक बलों (cohesive forces) की महत्वपूर्ण भूमिका उजागर होती है।

मूल लेखक: Matthias Keulen, Timo Giese, Kolja Joeris, Jonathan Kollmer

प्रकाशित 2026-06-01

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Matthias Keulen, Timo Giese, Kolja Joeris, Jonathan Kollmer

मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। ✨ नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें

कल्पना कीजिए कि आप एक सूटकेस पैक करने की कोशिश कर रहे हैं। पृथ्वी पर, यदि आप बहुत सारे भारी पत्थर उसमें डाल देते हैं, तो वे नीचे मजबूती से जम जाते हैं क्योंकि गुरुत्वाकर्षण उन्हें जोर से नीचे खींचता है। लेकिन क्या होगा यदि आप उसी सूटकेस को किसी ऐसी जगह ले जाएं जहां गुरुत्वाकर्षण बहुत कम हो, जैसे कि किसी छोटे क्षुद्रग्रह (asteroid) या चंद्रमा पर? क्या पत्थर उतने ही मजबूती से पैक होंगे या वे अधिक ढीले होकर तैरते रहेंगे?

यह शोध पत्र ठीक इसी प्रश्न का उत्तर देने के बारे में है, लेकिन एक ट्विस्ट के साथ: वैज्ञानिक अंतरिक्ष की यात्रा का इंतज़ार नहीं कर सकते थे। इसके बजाय, उन्होंने जर्मनी में एक "ड्रॉप टॉवर" के अंदर एक "गुरुत्वाकर्षण सिम्युलेटर" बनाया ताकि यह देख सकें कि अलग-अलग प्रकार की मिट्टी और रेत कम गुरुत्वाकर्षण में कैसा व्यवहार करती है।

यहाँ उनके प्रयोग की कहानी है, जिसे सरल रूप में समझाया गया है:

सेटअप: एक ग्रेविटी एलीवेटर

टीम ने ब्रेमेन, जर्मनी में एक विशेष टॉवर का उपयोग किया जिसे "ड्रॉप टॉवर" कहा जाता है। सामान्यतः, कुछ सेकंड के लिए भारहीनता (जीरो ग्रेविटी) पैदा करने के लिए एक कैप्सूल को गिराया जाता है। लेकिन यह टीम 'लो ग्रेविटी' (कम गुरुत्वाकर्षण) का परीक्षण करना चाहती थी, न कि 'जीरो ग्रेविटी' का।

उनके प्रयोग को एक गिरते हुए कैप्सूल के भीतर एक बहुत ही सटीक लिफ्ट की तरह समझें।

द ड्रॉप (गिरावट): कैप्सूल गिरता है, जिससे शून्य-गुरुत्वाकर्षण का वातावरण बनता है।
द पुश (धक्का): गिरते हुए कैप्सूल के अंदर, एक हाई-स्पीड मोटर मिट्टी के एक कंटेनर को सही बल के साथ ऊपर की ओर धकेलती है।
द रिजल्ट (परिणाम): गिरने के विरुद्ध ऊपर की ओर धक्का देकर, उन्होंने एक ऐसा "नकली" गुरुत्वाकर्षण बनाया जो पृथ्वी की तुलना में कमजोर था लेकिन शून्य से अधिक था। यह एक ऐसे लिफ्ट में सवारी करने जैसा है जो नीचे गिर रही है, लेकिन आप "अप" बटन को बस इतना दबाते हैं कि आप हल्का महसूस करें, लेकिन पूरी तरह भारहीन नहीं।

पात्र (Characters)

उन्होंने यह देखने के लिए तीन अलग-अलग "मेहमानों" का परीक्षण किया कि वे कैसे जमते हैं:

फाइन बेसाल्ट (Fine Basalt): बारीक, खुरदरी धूल के कण (जैसे बहुत महीन रेत या आटा), जो 1 से 200 माइक्रोमीटर तक होते हैं।
कोर्स बेसाल्ट (Coarse Basalt): चट्टान के बड़े, खुरदरे टुकड़े (2 से 5 मिलीमीटर), जैसे छोटे कंकड़।
ग्लास बीड्स (Glass Beads): चिकने, गोल गोले (750 से 1000 माइक्रोमीटर), जैसे छोटे मार्बल्स।

खोज: "फ्लफीनेस" (फुलाव) का कारक

जब उन्होंने गुरुत्वाकर्षण कम किया, तो उन्होंने देखा कि मिट्टी कितनी जगह घेरती है। उन्होंने पाया कि सब कुछ अधिक "फ्लफी" (फुला हुआ) हो गया (अर्थात इसने अधिक आयतन लिया) जब गुरुत्वाकर्षण कमजोर था।

खुरदरी धूल (Fine Basalt): यह सबसे नाटकीय था। जब गुरुत्वाकर्षण बहुत कम था, तो इन सूक्ष्म, खुरदरे कणों का आयतन लगभग 20% बढ़ गया। वे एक ऐसी भीड़ की तरह व्यवहार करते हैं जो एक-दूसरे को छूने से डरती है; जब गुरुत्वाकर्षण का "धक्का" कमजोर होता है, तो वे एक-दूसरे से चिपक जाते हैं और एक ढीले, हवादार बादल का रूप ले लेते हैं।
खुरदरे पत्थर (Coarse Basalt): ये भी फुले, जिससे लगभग 12% का विस्तार हुआ, लेकिन धूल की तुलना में कम।
चिकने मार्बल्स (Glass Beads): आश्चर्यजनक रूप से, इन पर सबसे कम प्रभाव पड़ा। हालांकि ये महीन धूल के आकार के समान थे, लेकिन चिकने और गोल होने के कारण, ये केवल लगभग 4% बढ़े। वे आसानी से एक-दूसरे के पास से फिसल गए, भले ही गुरुत्वाकर्षण कम था।

"चिपचिपाहट" का रूपक (Metaphor)

खुरदरी धूल इतनी अधिक क्यों फैली? शोध पत्र बताता है कि कम गुरुत्वाकर्षण में, कणों का वजन बहुत कम हो जाता है। जब ऐसा होता है, तो सूक्ष्म अदृश्य बल—जैसे स्थिर बिजली (static electricity) या खुरदरी सतहों की प्राकृतिक "चिपचिपाहट" (Van der Waals forces)—प्रभुत्व जमाने लगते हैं।

एक हवा भरे दिन में सूखे पत्तों के ढेर की कल्पना करें। पृथ्वी पर, हवा उन्हें उड़ा सकती है, लेकिन वे काफी भारी होते हैं कि कुछ हद तक जमे रहें। एक छोटे क्षुद्रग्रह पर, वे समान पत्ते इतने हल्के होंगे कि वे एक-दूसरे से चिपक जाएंगे और एक बड़े, ढीले बादल में तैरने लगेंगे। सतह जितनी खुरदरी होगी, वे अपने पड़ोसियों से उतना ही अधिक "चिपकेंगे", जिससे एक अधिक फुला हुआ ढेर बनेगा।

यह क्यों महत्वपूर्ण है (शोध पत्र के अनुसार)

वैज्ञानिकों ने यह सिद्ध करना चाहा कि आप पृथ्वी की मिट्टी को देखकर अंतरिक्ष की मिट्टी के व्यवहार का अनुमान नहीं लगा सकते।

आकार सब कुछ नहीं है: आप सोच सकते हैं कि छोटे कण हमेशा एक जैसा व्यवहार करते हैं, लेकिन खुरदरी धूल ने चिकने ग्लास बीड्स की तुलना में बहुत अलग व्यवहार किया।
खुरदरापन मायने रखता है: बेसाल्ट के खुरदरे, नुकीले किनारों ने उन्हें चिकने ग्लास बीड्स की तुलना में कम गुरुत्वाकर्षण के प्रति बहुत अधिक संवेदनशील बना दिया।
वैधीकरण (Validation): उनका वास्तविक दुनिया का डेटा कंप्यूटर सिमुलेशन के साथ मेल खाता है, जिससे वैज्ञानिकों को यह विश्वास मिलता है कि चंद्रमा या क्षुद्रग्रहों पर आवास बनाने या खनन करने के लिए उनके मॉडल सही दिशा में हैं।

निचोड़ (Bottom Line)

सरल शब्दों में: यदि आप किसी क्षुद्रग्रह पर आधार बनाने की योजना बना रहे हैं, तो यह मानकर न चलें कि वहां की मिट्टी आपके पिछवाड़े की मिट्टी की तरह मजबूती से दब जाएगी। कम गुरुत्वाकर्षण में, विशेष रूप से खुरदरी, धूल भरी मिट्टी के साथ, वह मिट्टी ढीली और फुली हुई रहेगी, जो आपकी अपेक्षा से बहुत अधिक जगह घेरेगी। सामग्री जितनी चिकनी और गोल होगी, उसमें बदलाव उतना ही कम होगा।

तकनीकी सारांश: निम्न गुरुत्वाकर्षण में दानेदार और संसंजनशील (Cohesive) सामग्री के बैठने (Settling) पर प्रयोग

समस्या विवरण
चट्टानी पिंडों (ग्रहों, क्षुद्रग्रहों) पर रेगोलिथ (regolith) का यांत्रिक व्यवहार पृथ्वी की तुलना में भिन्न होता है क्योंकि वहां गुरुत्वाकर्षण की स्थितियां अलग होती हैं। विभिन्न वातावरणों में दानेदार पदार्थ के पैकिंग घनत्व (packing density), विश्राम कोण (angle of repose) और संसंजन (cohesion) की भविष्यवाणी करना भविष्य के इन-सीटू रिसोर्स यूटिलाइजेशन (ISRU), चंद्र आधार निर्माण और क्षुद्रग्रह संपर्क मिशनों के लिए महत्वपूर्ण है। इस क्षेत्र में एक प्राथमिक चुनौती यह है कि दानेदार व्यवहार विभिन्न गुरुत्वाकर्षणों में आसानी से स्केलेबल (scalable) नहीं होता है। निम्न-गुरुत्वाकर्षण शासन में, जैसे कि छोटे क्षुद्रग्रहों में पाया जाता है, संसंजनशील अंतर-कण बल (जैसे कि वैन डेर वाल्स, इलेक्ट्रोस्टैटिक बल) गुरुत्वाकर्षण बलों के तुल्य हो सकते हैं, जो सैद्धांतिक भविष्यवाणियों को जटिल बना देते हैं। जबकि सैद्धांतिक सिमुलेशन मौजूद हैं, मॉडलों को मान्य करने के लिए कम गुरुत्वाकर्षण वाले शासन में उच्च-गुणवत्ता वाले प्रयोगात्मक डेटा की कमी है।

कार्यप्रणाली
लेखकों ने ब्रेमेन, जर्मनी में ZARM ड्रॉप टॉवर सुविधा में प्रयोग किए, जिसमें सूक्ष्म गुरुत्वाकर्षण वातावरण प्रदान करने के लिए ग्रैविटावर प्रो ब्रेमेन (GTB) का उपयोग किया गया, जो $10^{-6} g$ के अवशिष्ट त्वरण (residual acceleration) प्रदान करता है। विशिष्ट आंशिक गुरुत्वाकर्षण स्थितियों को सिम्युलेट करने के लिए, टीम ने ड्रॉप टॉवर कैप्सूल के भीतर एक उच्च-परिशुद्धता रैखिक मोटर (Newport IMS-LM300) का उपयोग किया। इस सेटअप ने कृत्रिम रूप से 150 से 1000 mm/s² (लगभग 0.015g से 0.1g) की सीमा तक गुरुत्वाकर्षण स्तर उत्पन्न करने की अनुमति दी, जो बड़े क्षुद्रग्रह के गुरुत्वाकर्षण से लेकर चंद्र गुरुत्वाकर्षण से नीचे तक के शासन को कवर करता है।

तीन अलग-अलग दानेदार नमूनों का परीक्षण किया गया:

बारीक बेसाल्ट (Fine Basalt): कण व्यास 1–200 µm।
मोटा बेसाल्ट (Coarse Basalt): कण व्यास 2–5 mm।
ग्लास बीड्स (Glass Beads): गोलाकार कण जिनका व्यास 750–1000 µm है।

नमी और सतह के जल स्तर को न्यूनतम करने के लिए नमूनों को 120°C पर 24 घंटे तक सुखाया गया। उन्हें बेलनाकार वैक्यूम ट्यूबों (आंतरिक व्यास 16.3 mm) में रखा गया था, जिन्हें गैस ड्रैग को कम करने के लिए 0.21 और 0.78 mbar के दबाव के बीच बनाए रखा गया था। प्रयोगात्मक अनुक्रम में एक इनिशियलाइजेशन चरण, एक निरंतर पैकिंग सुनिश्चित करने के लिए एक जोरदार शेक-अप (shake-up), और एक विशिष्ट कृत्रिम गुरुत्वाकर्षण प्रक्षेपवक्र के तहत एक सेटलिंग चरण शामिल था। भरने की ऊंचाई (filling height) निर्धारित करने के लिए उच्च-गति वीडियो विश्लेषण का उपयोग किया गया, जिससे पृथ्वी के गुरुत्वाकर्षण ( $1g$ ) के सापेक्ष आयतन परिवर्तन ( $\Delta V$ ) और पैकिंग घनत्व ( $\phi$ ) की गणना की गई।

मुख्य परिणाम
प्रयोगों से पता चला कि कम गुरुत्वाकर्षण में दानेदार नमूने पृथ्वी की स्थितियों की तुलना में अधिक आयतन घेरते हैं और कम पैकिंग घनत्व प्रदर्शित करते हैं। इस परिवर्तन का परिमाण कणों की विशेषताओं पर अत्यधिक निर्भर है:

गुरुत्वाकर्षण के प्रति संवेदनशीलता: बारीक बेसाल्ट का नमूना सबसे संवेदनशील था, जिसने 250 mm/s² पर +19.6% तक की आयतन वृद्धि दिखाई। मोटे बेसाल्ट ने 150 mm/s² पर +12.2% की अधिकतम आयतन वृद्धि दिखाई। गोलाकार ग्लास बीड्स सबसे कम संवेदनशील थे, जिन्होंने 250 mm/s² पर केवल +4.25% की आयतन वृद्धि दिखाई।
खुरदरापन और एकरूपता की भूमिका: परिणाम दर्शाते हैं कि आयतन परिवर्तन केवल कण के आकार का फलन (function) नहीं है। खुरदरे, अनियमित बेसाल्ट कणों ने समान, गोलाकार ग्लास बीड्स की तुलना में गुरुत्वाकर्षण परिवर्तनों के प्रति उच्च संवेदनशीलता दिखाई, जो यह सुझाव देता है कि सतह का खुरदरापन और कण की एकरूपता निम्न गुरुत्वाकर्षण में पैकिंग व्यवहार को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित करती है।
पैकिंग घनत्व के रुझान: जैसे-जैसे गुरुत्वाकर्षण कम हुआ, पैकिंग घनत्व पृथ्वी पर देखे गए मूल्यों से कम मानों की ओर बढ़ गया। 750 mm/s² से कम गुरुत्वाकर्षण पर मोटे बेसाल्ट ने बारीक बेसाल्ट की तुलना में कम पैकिंग घनत्व प्रदर्शित किया, जो गैर-रैखिक स्केलेबिलिटी को और अधिक स्पष्ट करता है।

मॉडलिंग और सत्यापन
प्रयोगात्मक डेटा को एलेक्स और पार्टेली (2021) द्वारा प्रस्तावित एक सैद्धांतिक मॉडल के साथ फिट किया गया था, जो कण व्यास ( $d$ ) और गुरुत्वाकर्षण के वर्गमूल ( $\sqrt{g}$ ) के फलन के रूप में पैकिंग घनत्व के स्पर्शोन्मुखी विकास (asymptotic growth) का वर्णन करता है। लेखकों ने विभिन्न कण आकारों के डेटा को मानकीकृत करने के लिए आयामहीन पैरामीटर $d \cdot \sqrt{g/g_{Earth}}$ का उपयोग किया। हालांकि प्रयोगात्मक डेटा ने सामान्य रूप से सैद्धांतिक रुझान का पालन किया, लेकिन डेटा बिंदु एक एकल वक्र (curve) पर नहीं आए जैसा कि मोनोडिस्पर्स कणों के सिमुलेशन में देखा जाता है। लेखक इस विचलन का श्रेय अपने नमूनों (विशेष रूप से मोटे बेसाल्ट) के महत्वपूर्ण आकार वितरण और नमूना कंटेनरों में सीमा प्रभावों (boundary effects) को देते हैं।

महत्व और दावे
यह शोध पत्र दावा करता है कि यह 0.015g से 0.1g के गुरुत्वाकर्षण शासन के लिए पहला वास्तविक जीवन का प्रयोगात्मक डेटा प्रदान करता है, जो पहले प्रयोगात्मक रूप से अन investigated (अन्वेषित) था। अध्ययन दर्शाता है कि:

संसंजन बल (Cohesive forces) प्रमुख भूमिका निभाते हैं, जिससे खुरदरे और महीन कणों वाले पदार्थों में महत्वपूर्ण आयतन विस्तार होता है।
कण के गुण मायने रखते हैं: केवल कण का आकार ही नहीं, बल्कि खुरदरापन और एकरूपता भी यह निर्धारित करने में महत्वपूर्ण कारक हैं कि दानेदार पदार्थ कम गुरुत्वाकर्षण के प्रति कैसे प्रतिक्रिया करते हैं।
सिद्धांत का सत्यापन: डेटा निम्न-गुरुत्वाकर्षण वातावरण में पैकिंग घनत्व और संसंजन (जैसे कि एलेक्स और पार्टेली के कार्य और सिमुलेशन) के संबंध में सैद्धांतिक कार्यों और सिमुलेशन को मान्य और परिष्कृत करने का कार्य करता है।

लेखक निष्कर्ष निकालते हैं कि ये निष्कर्ष भविष्य के अंतरिक्ष मिशनों, विशेष रूप से क्षुद्रग्रहों और चंद्रमा पर सामग्रियों के प्रबंधन और परिवहन के लिए रेगोलिथ के यांत्रिक व्यवहार को समझने के लिए आवश्यक हैं। वे नोट करते हैं कि हालांकि उनके सेटअप ने शोर और कोरिओलिस बलों को कम किया, लेकिन ट्राइबोचार्जिंग (tribocharging) और सीमा प्रभाव जैसे कारक आगे के अन्वेषण के क्षेत्र बने हुए हैं।