Characterization of a 600 A Barium Oxide-Based Hollow Cathode

अंतरिक्ष के विशाल सन्नाटे में, जहाँ पारंपरिक रासायनिक रॉकेट अपना ईंधन समाप्त कर देते हैं, विद्युत प्रणोदन (इलेक्ट्रिक प्रोपल्शन) एक अलग प्रकार की यात्रा प्रदान करता है। ये इंजन, जिन्हें हॉल थ्रस्टर्स (Hall thrusters) के रूप में जाना जाता है, अचानक और हिंसक धक्का उत्पन्न करने के लिए ईंधन नहीं जलाते हैं। इसके बजाय, वे गैस परमाणुओं से इलेक्ट्रॉनों को अलग करने के लिए बिजली का उपयोग करते हैं, जिससे आवेशित कणों का एक अत्यधिक गर्म बादल बनता है जिसे प्लाज्मा कहा जाता है। इस इंजन को चालू रखने के लिए, इसे निकास (exhaust) को उदासीन करने हेतु इलेक्ट्रॉनों की एक निरंतर धारा की आवश्यकता होती है; उनके बिना, अंतरिक्ष यान एक खतरनाक विद्युत आवेश जमा कर लेगा जो इंजन को रोक देगा और संभावित रूप से जहाज को नुकसान पहुँचा सकता है। इन इलेक्ट्रॉनों को प्रदान करने के लिए जिम्मेदार घटक 'हॉलो कैथोड' (hollow cathode) है, जो एक ऐसा उपकरण है जो इंजन के हृदय के रूप में कार्य करता है, और प्लाज्मा को बनाए रखने के लिए लगातार कणों की एक धारा उत्सर्जित करता है। दशकों से, इंजीनियर इन कैथोड को काम करने के लिए विशिष्ट सामग्रियों पर भरोसा करते आए हैं, लेकिन जैसे-जैसे अधिक शक्तिशाली अंतरिक्ष यानों की मांग बढ़ रही है, पुरानी सामग्रियां अपनी सीमाओं तक पहुँच रही हैं। जब किसी थ्रस्टर को काफी अधिक शक्ति उत्पन्न करने की आवश्यकता होती है, तो कैथोड को बिना जले बहुत उच्च विद्युत धाराओं को संभालना पड़ता है, जो एक ऐसी चुनौती है जिसके लिए इंजन के भीतर की सामग्रियों के बारे में नए सिरे से सोचने की आवश्यकता है।

कोलोराडो स्टेट यूनिवर्सिटी और प्लाज्मा कंट्रोल्स, एलएलसी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक नया प्रकार का हॉलो कैथोड बनाने और परीक्षण करने की दिशा में एक बड़ा कदम उठाया है जो 600 एम्पियर की विशाल विद्युत धारा को संभालने में सक्षम है। यह एक महत्वपूर्ण छलांग है, क्योंकि पिछले उच्च-शक्ति वाले कैथोड आमतौर पर 'लैंथेनम हेक्साबोराइड' नामक एक सामग्री का उपयोग करते थे, जो अच्छा काम करती है लेकिन इसे संचालित करने के लिए बहुत उच्च तापमान की आवश्यकता होती है। हालाँकि, नया डिज़ाइन एक अलग दृष्टिकोण अपनाता है: एक मिश्रित सामग्री (composite material) जो टंगस्टन को बेरियम, कैल्शियम, एल्युमीनियम और स्कैंडियम ऑक्साइड के साथ मिलाती है। यह मिश्रण, जिसे 'सर्मेट' (cermet) कहा जाता है, कम तापमान पर इलेक्ट्रॉन उत्सर्जित करने के लिए डिज़ाइन किया गया है, जो इंजनों को अधिक कुशल और प्रबंधनीय बना सकता है। शोधकर्ताओं ने एक ऐसा कैथोड बनाया जहाँ आंतरिक इंसर्ट (insert), वह भाग जो वास्तव में इलेक्ट्रॉन उत्सर्जित करता है, एक भट्टी की फायरिंग प्रक्रिया के दौरान एक ही चरण में बनाया गया था। यह विधि निर्माण को सरल बनाती है और यह सुनिश्चित करती है कि इंसर्ट में उसका अपना निकास छेद (orifice) भी प्रारंभिक आकार के हिस्से के रूप में शामिल हो, जिससे बाद में जटिल असेंबली चरणों की आवश्यकता समाप्त हो जाती है।

यह देखने के लिए कि क्या यह नया डिज़ाइन अंतरिक्ष की कठोर परिस्थितियों में जीवित रह सकता है, टीम ने कैथोड को कोलोराडो स्टेट यूनिवर्सिटी के एक बड़े वैक्यूम चैंबर के भीतर रखा, जो गहरे अंतरिक्ष के वातावरण का अनुकरण करता है। उन्होंने हवा को तब तक बाहर निकाला जब तक कि दबाव लगभग शून्य नहीं हो गया, फिर इन इंजनों के लिए एक सामान्य प्रणोदक (propellant) के रूप में क्रिप्टॉन गैस पेश की, ताकि यह देखा जा सके कि कैथोड कैसा व्यवहार करता है। इस सेटअप में एक विशाल कॉपर कॉइल शामिल थी जिसने एक चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न किया जो वास्तविक अंतरिक्ष यान इंजन के समान था, जिससे परीक्षण की स्थितियाँ यथार्थवादी बनी रहीं। शोधकर्ताओं ने कैथोड को 50 एम्पियर के मामूली स्तर से लेकर पूरे 600 एम्पियर तक की विस्तृत विद्युत धाराओं के माध्यम से गुजारा, जबकि वोल्टेज, गैस के प्रवाह और उपकरण के तापमान की सावधानीपूर्वक निगरानी की। उन्होंने कैथोड के निकास मुख (exit face) के ताप को बिना छुए मापने के लिए एक विशेष ऑप्टिकल उपकरण का भी उपयोग किया, जिससे यह सुनिश्चित हुआ कि वे संचालन के दौरान सामग्री कितनी गर्म हो रही है, इसका पता लगा सकें।

परिणामों ने दिखाया कि नया कैथोड उल्लेखनीय रूप से अच्छा काम करता है। 600 एम्पियर के लक्षित करंट पर, उपकरण 20 से 21 वोल्ट के आसपास स्थिर रूप से संचालित हुआ, बशर्ते कि क्रिप्टॉन गैस का प्रवाह एक निश्चित स्तर से ऊपर रखा जाए। जब गैस का प्रवाह बहुत कम कर दिया गया, तो संचालन अस्थिर हो गया, जिसमें वोल्टेज ऊपर-नीचे होता रहा, जो समय के साथ इंजन को नुकसान पहुँचा सकता है। टीम ने पाया कि कैथोड दो अलग-अलग परिचालन मोड के बीच स्विच कर सकता है: एक स्थिर मोड जहाँ प्लाज्मा निकास के पास केंद्रित रहता है, और एक अस्थिर मोड जहाँ प्लाज्मा एक विसरित (diffuse) बादल के रूप में फैल जाता है। अस्थिर मोड का संबंध उच्च-ऊर्जा आयनों के निर्माण से था, जो खतरनाक हैं क्योंकि वे कैथोड के आंतरिक हिस्सों को नष्ट कर सकते हैं। गैस का प्रवाह पर्याप्त ऊँचा रखकर, शोधकर्ता कैथोड को स्थिर और सुरक्षित मोड में रखने में सफल रहे। उन्होंने यह भी पाया कि डिवाइस तेजी से शुरू हो सकता है, और दो मिनट से भी कम समय में पूर्ण शक्ति तक पहुँच सकता है, जो एक पारंपरिक हीटिंग कॉइल की अनुपस्थिति में आश्चर्यजनक उपलब्धि है। इसके बजाय, कैथोड ने खुद को गर्म करने के लिए एक चतुर माध्यमिक इलेक्ट्रॉन धारा (secondary electron stream) का उपयोग किया, जिससे सिद्ध हुआ कि यह डिज़ाइन न केवल शक्तिशाली है बल्कि व्यावहारिक भी है।

भविष्य की ओर देखते हुए, शोधकर्ताओं ने एकत्र किए गए डेटा का उपयोग यह अनुमान लगाने के लिए किया कि यह कैथोड कितने समय तक चल सकता है। उन्होंने उस दर का मॉडल तैयार किया जिस पर सामग्री के भीतर मौजूद बेरियम धीरे-धीरे वाष्पित होकर नष्ट हो रहा है। उनके गणनाओं से पता चलता है कि सबसे खराब स्थिति के अनुमानों के तहत, जहाँ सामग्री लगातार अपने सबसे तेज़ दर पर बेरियम खो रही है, यह कैथोड संभावित रूप से लाखों घंटों तक संचालित हो सकता है। यह एक महत्वपूर्ण निष्कर्ष है, क्योंकि यह दर्शाता है कि डिवाइस लंबी अवधि के अंतरिक्ष मिशनों की पूरी अवधि के लिए चल सकता है। हालाँकि, टीम ने यह स्पष्ट करने में सावधानी बरती है कि यह मॉडलों पर आधारित एक प्रारंभिक अनुमान है, कोई गारंटी नहीं है। वास्तविक जीवनकाल कम हो सकता है यदि अन्य कारक, जैसे कि कैथोड की 'कीपर प्लेट' पर उच्च-ऊर्जा आयनों का प्रहार, बेरियम खत्म होने से पहले नुकसान पहुँचाते हैं। इन निष्कर्षों की पुष्टि करने के लिए, शोधकर्ता और भी अधिक परीक्षण करने की योजना बना रहे हैं, जिसमें एक लंबे रन के बाद कैथोड को नष्ट करके यह देखना शामिल है कि सामग्री के अंदर वास्तव में क्या बदलाव आए। फिलहाल, यह अध्ययन सिद्ध करता है कि बेरियम-ऑक्साइड-आधारित कैथोड उच्च-शक्ति विद्युत प्रणोदन की अत्यधिक मांगों को संभाल सकता है, जो उन अंतरिक्ष यानों के लिए द्वार खोलता है जो पहले से कहीं अधिक दूर और तेज़ यात्रा कर सकते हैं।