Density and molar volume of CaO–SiO2–FeO melts measured by electrostatic levitation aboard the International Space Station
अंतर्राष्ट्रीय अंतरिक्ष स्टेशन पर स्थित इलेक्ट्रोस्टैटिक लेविटेशन फर्नेस का उपयोग करते हुए, शोधकर्ताओं ने सूक्ष्म गुरुत्वाकर्षण में CaO–SiO2–FeO पिघलाव के घनत्व और मोल आयतन को मापा, जिससे पता चला कि घनत्व FeO सामग्री के साथ बढ़ता है जबकि मोल आयतन उच्च FeO सांद्रता पर मामूली विचलन के बावजूद आम तौर पर योगात्मक-मॉडल भविष्यवाणियों के अनुरूप रहता है।
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एक विशाल, तैरते हुए साबुन के बुलबुले की कल्पना करें, लेकिन साबुन और पानी के बजाय, यह चट्टान और धातु का एक चमकता हुआ, पिघला हुआ गोला है। अब, कल्पना करें कि वह बुलबुला अंतर्राष्ट्रीय अंतरिक्ष स्टेशन के बीच में तैर रहा है, जहाँ गुरुत्वाकर्षण लगभग एक भूत की तरह है। इस अध्ययन में बिल्कुल ऐसा ही हुआ। जापान के वैज्ञानिकों ने पिघली हुई चट्टान के तीन अलग-अलग नुस्खे लिए—कैल्शियम ऑक्साइड, सिलिकॉन डाइऑक्साइड और आयरन ऑक्साइड के मिश्रण—और उन्हें यह देखने के लिए अंतरिक्ष में भेजा कि जब वे गर्म और नरम अवस्था में थे, तो उनका वजन कितना था।
अंतरिक्ष में क्यों जाना? खैर, पृथ्वी पर, यदि आप यह मापना चाहते हैं कि एक सुपर-हॉट तरल कितना सघन (dense) है, तो आपको आमतौर पर उसे एक कंटेनर में रखना पड़ता है। लेकिन गर्म धातु अपने कंटेनर को खाना पसंद करती है, या कंटेनर उसमें लीक हो जाता है, जिससे माप बिगड़ जाता है। यह पिज्जा के एक टुकड़े को तब तौलने की कोशिश करने जैसा है जब वह अभी भी बॉक्स से चिपका हुआ हो; बॉक्स वजन बढ़ाता है और स्वाद बदल देता है। अंतरिक्ष में, एक विशेष "इलेक्ट्रोस्टैटिक लेविटेशन" तकनीक का उपयोग करके, वैज्ञानिक इन अदृश्य बिजली के हाथों से पिघले हुए बूंदों को हवा में लटका सकते थे। कोई बॉक्स नहीं, कोई कंटेनर नहीं, बस शुद्ध तैरती हुई तरल चट्टान।
टीम ने इस पिघले हुए मिश्रण के तीन विशिष्ट "फ्लेवर्स" का परीक्षण किया, जिन्हें CS20F, CS60F और CS80F लेबल किया गया था। ये नंबर मिश्रण में आयरन ऑक्साइड (FeO) की मात्रा को दर्शाते हैं: वजन के अनुसार 20%, 60%, और 80%। बाकी हिस्सा अन्य दो सामग्रियों का 50/50 का विभाजन था। उन्होंने इन बूंदों को लेजर का उपयोग करके तब तक गर्म किया जब तक वे चमकने वाली गर्म अवस्था में नहीं पहुँच गईं, और फिर उन्हें ठंडा होते समय प्रति सेकंड 60 तस्वीरें लीं। तैरते हुए गोले की छाया को छोटा होते हुए देखकर, वे इसके आयतन (volume) की गणना कर सके, और चूंकि वे नमूने का वजन जानते थे, इसलिए वे घनत्व (density) निकाल सके।
उन्होंने क्या पाया:
सबसे पहले, जैसे-जैसे तापमान बढ़ता गया, घनत्व कम होता गया। यह गर्म हवा फूंकने पर गुब्बारे के फैलने जैसा है; समान मात्रा में चीजें अधिक स्थान लेती हैं, इसलिए यह कम सघन हो जाता है। यह तीनों मिश्रणों के लिए एक सीधी रेखा में हुआ।
दूसरा, किसी भी विशिष्ट तापमान पर, अधिक आयरन ऑक्साइड वाला मिश्रण अधिक सघन था। 80% आयरन वाला मिश्रण सबसे भारी था, और 20% आयरन वाला मिश्रण सबसे हल्का था।
तीसरा, उन्होंने "मोलर वॉल्यूम" (molar volume) नामक चीज़ को देखा, जो मूल रूप से यह है कि मिश्रण का एक "मोल" कितना स्थान घेरता है। उन्होंने पाया कि जब उन्होंने अधिक लोहा जोड़ा (20% मिश्रण से 60% मिश्रण की ओर जाने पर), तो मिश्रण द्वारा लिया गया स्थान वास्तव में छोटा हो गया। लेकिन जब उन्होंने और अधिक लोहा जोड़ा (60% से 80% की ओर जाने पर), तो स्थान में बहुत अधिक बदलाव नहीं आया। यह स्पंज को दबाने जैसा है: पहला दबाव इसे सघन बनाता है, लेकिन दूसरा दबाव बहुत कम प्रभाव डालता है।
वैज्ञानिकों ने अपने अंतरिक्ष-मापे गए डेटा की तुलना पुराने पृथ्वी-आधारित डेटा और एक सरल गणितीय मॉडल जिसे "एडिटिव रेफरेंस" (additive reference) कहा जाता है, से की। यह मॉडल मानता है कि यदि आप दो चीजों को मिलाते हैं, तो कुल आयतन उनके हिस्सों का योग होता है, जैसे लेगो ब्रिक्स (Lego bricks) को एक के ऊपर एक रखना। परिणामों ने दिखाया कि वास्तविक पिघली हुई चट्टान काफी हद तक इस सरल लेगो-ब्लॉक विचार के अनुरूप थी, हालांकि उच्चतम आयरन स्तरों पर, वास्तविक पिल (melt) ने लेगो मॉडल की भविष्यवाणी की तुलना में थोड़ा अधिक स्थान लिया।
वे कितने निश्चित हैं? पेपर बताता है कि उनके माप में अधिकतम सापेक्ष विस्तारित अनिश्चितता (relative expanded uncertainty) 3.46% थी। इसका मतलब है कि यदि आप प्राप्त संख्या लें, तो वास्तविक मान उस संख्या के लगभग 3.5% के भीतर होने की संभावना है। अनिश्चितता का सबसे बड़ा स्रोत स्वयं तैरता हुआ गोला नहीं था, बल्कि कैमरे को कैलिब्रेट करने के लिए उपयोग किए गए संदर्भ गोले (reference sphere) का माप था। क्योंकि आयतन की गणना संदर्भ गोले के व्यास के घन (उसकी घात तीन) पर निर्भर करती है, इसलिए संदर्भ गोले के आकार को मापने में मामूली सी गड़बड़ी भी बहुत बढ़ जाती है।
तो, उन्होंने क्या खारिज किया? उन्होंने इस विचार को खारिज नहीं किया कि कंटेनर माप को बिगाड़ देते हैं; वास्तव में, उन्होंने पुष्टि की कि इन उच्च तापमानों के लिए कंटेनर-रहित विधियाँ आवश्यक हैं। उन्हें यह भी नहीं मिला कि आयरन की मात्रा के साथ आयतन नाटकीय रूप रूप से बदलता है; इसके बजाय, उन्होंने पाया कि यह पहले तेजी से गिरता है और फिर स्थिर हो जाता है। उन्होंने यह दावा नहीं किया कि यह सभी धातु विज्ञान (metallurgy) के लिए एक पूर्ण, हल की गई समस्या है, बल्कि उन्होंने यह बताया कि उन्होंने उन तापमानों के लिए एक ठोस संदर्भ डेटा प्रदान किया है जहाँ पृथ्वी-आधारित उपकरण संघर्ष करते हैं।
संक्षेप में, पिघली हुई चट्टान को अंतरिक्ष में तैराकर, टीम ने हमें एक स्पष्ट तस्वीर दी कि ये विशिष्ट मेटल-स्लैग मिश्रण गर्म और भारी होने पर कैसे व्यवहार करते हैं, यह पुष्टि करते हुए कि अधिक लोहा आम तौर पर अधिक सघन तरल का अर्थ है, लेकिन लोहे के साथ आयतन घटने का तरीका सीधा नहीं है—यह एक वक्र (curve) है जो स्थिर हो जाता है। यह डेटा अब इंजीनियरों और वैज्ञानिकों को यह मॉडल करने में मदद करने के लिए तैयार है कि उच्च-तापमान प्रक्रियाओं में धातु कैसे बहती और अलग होती है, जिसमें बिना क्रूसिबल (crucible) के हस्तक्षेप के मापे गए नंबरों का उपयोग किया गया है।
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