Metal Plasma Ion Thruster

अंतरिक्ष यात्रा गति और ईंधन के बीच एक नाजुक संतुलन पर निर्भर करती है। किसी उपग्रह की कक्षा बदलने या उसे पृथ्वी पर वापस गिरने से बचाने के लिए, इंजीनियरों को उसे एक बल के साथ धकेलना होता है, लेकिन ले जाया गया प्रत्येक किलोग्राम ईंधन उस वजन को भी बढ़ा देता है जिसे सबसे पहले उठाना पड़ता है। दशकों से, इसे करने का सबसे कुशल तरीका इलेक्ट्रिक प्रोपल्शन (विद्युत प्रणोदन) रहा है, जो गैस को अत्यधिक उच्च गति तक त्वरित करने के लिए बिजली का उपयोग करता है, जो आमतौर पर एक भारी उत्कृष्ट गैस (noble gas) जैसे कि ज़ेनॉन होती है। जबकि ये इंजन रासायनिक रॉकेटों की तुलना में बहुत अधिक ईंधन-कुशल होते हैं, उन्हें गैस को संग्रहीत करने के लिए भारी टैंकों और इसे इंजन में भेजने के लिए जटिल प्लंबिंग की आवश्यकता होती है। यह एक महत्वपूर्ण आयतन संबंधी बाधा उत्पन्न करता है, विशेष रूप से छोटे उपग्रहों के लिए जहाँ स्थान का हर घन सेंटीमीटर अत्यंत कीमती होता है। चुनौती इलेक्ट्रिक प्रोपल्शन की उच्च दक्षता को बनाए रखते हुए भारी गैस टैंकों और उन्हें प्रबंधित करने के लिए आवश्यक भारी मशीनरी को समाप्त करने की थी।

अलामाडा एप्लाइड साइंसेज कॉर्पोरेशन के महादेव कृष्णन द्वारा प्रस्तावित एक नया अध्ययन एक समाधान पेश करता है जो गैस को ठोस धातु से बदल देता है। यह शोध एक उपकरण पेश करता है जिसे मेटल प्लाज्मा आयन थ्रस्टर (MPIT) कहा जाता है। यह इंजन ईंधन को गैस के रूप में संग्रहीत नहीं करता है; इसके बजाय, यह जिंक, कॉपर या बिस्मथ जैसी ठोस धातु का एक ब्लॉक लेकर चलता है। यह उपकरण दो चरणों में कार्य करता है। पहले, यह ठोस धातु की एक सूक्ष्म मात्रा को वाष्पित करने के लिए एक संक्षिप्त, तीव्र विद्युत स्पार्क का उपयोग करता है, जिससे वह आवेशित कणों के बादल में बदल जाती है जिसे प्लाज्मा कहा जाता है। यह प्रारंभिक बादल एक मध्यम गति से चलता है, लेकिन वास्तविक नवाचार इसके बाद होता है। इंजन फिर आवेशित ग्रिडों (grids) के एक सेट का उपयोग करता है, जो पारंपरिक आयन इंजनों में पाए जाने वाले ग्रिडों के समान होते हैं, ताकि इन धातु आयनों को पकड़ा जा सके और उन्हें उन गतियों तक त्वरित किया जा सके जो केवल प्रारंभिक स्पार्क अकेले प्राप्त नहीं कर सकता था। ठोस धातु का उपयोग करके, इंजन गैस के मुकाबले सैकड़ों गुना अधिक घनत्व पर ईंधन संग्रहीत करता है, जिससे एक छोटा उपग्रह भारी टैंकों या वाल्वों की आवश्यकता के बिना लंबे मिशनों के लिए पर्याप्त प्रणोदक (propellant) ले जा सकता है।

यह शोध पत्र विवरण देता है कि कैसे यह प्रणाली एक ऐतिहासिक कमजोरी को दूर करती है। पिछले संस्करणों के मेटल प्लाज्मा थ्रस्टर्स, जो पूरी तरह से प्रारंभिक स्पार्क पर निर्भर थे, गैस इंजनों की तुलना में प्रति इकाई शक्ति काफी कम बल पैदा करते थे। नया MPIT डिज़ाइन इस समस्या को हल करता है क्योंकि यह धातु प्लाज्मा का उपयोग केवल आयनों के स्रोत के रूप में करता है, जिन्हें ग्रिड सिस्टम द्वारा बहुत अधिक गति और थ्रस्ट उत्पन्न करने के लिए बढ़ाया जाता है। 500 वाट के पावर लेवल पर चल रहे सिमुलेशन में, शोधकर्ताओं ने पाया कि MPIT एक मानक हॉल इफेक्ट थ्रस्टर (जो गैस इंजन का एक सामान्य प्रकार है) के समान थ्रस्ट उत्पन्न कर सकता है, लेकिन बहुत अधिक दक्षता के साथ। उदाहरण के लिए, बिस्मथ प्रणोदक के साथ, इंजन ने लगभग 3,881 सेकंड का विशिष्ट आवेग (specific impulse)—जो ईंधन दक्षता का एक माप है—प्राप्त किया, जबकि मैग्नीशियम इस संख्या को 10,000 सेकंड से ऊपर ले जा सकता है। इसका अर्थ है कि इंजन वेग में समान परिवर्तन प्राप्त करने के लिए बहुत कम ईंधन का उपयोग करता है, और चूंकि ईंधन एक सघन ठोस है, इसलिए संपूर्ण प्रणोदन प्रणाली गैस-आधारित प्रणालियों की तुलना में बहुत कम आयतन घेरती है।

धातु-आधारित इंजनों के लिए सबसे महत्वपूर्ण बाधाओं में से एक आयनों को त्वरित करने वाले नाजुक ग्रिडों के बंद होने (clogging) का जोखिम रहा है। जैसे ही धातु का वाष्प ग्रिड से टकराता है, वह ठंडा होकर जम सकता है, जिससे अंततः छेद अवरुद्ध हो जाते हैं और इंजन रुक जाता है। अध्ययन इस समस्या का समाधान करने के लिए विशिष्ट धातुओं, विशेष रूप से जिंक का चयन करता है, जिनका गलनांक कम और अस्थिरता (volatility) उच्च होती है। गणनाएं दर्शाती हैं कि प्लाज्मा द्वारा उत्पन्न ऊष्मा स्वयं ग्रिड की सतह को इतना गर्म रखने के लिए पर्याप्त है कि उस पर गिरने वाले किसी भी जिंक को पिघलाया जा सके। यह ग्रिड पर एक पतली, तरल परत बनाता है जो धातु को ठोस ब्लॉक बनने के बजाय वाष्पित होने की अनुमति देती है। शोधकर्ता सुझाव देते हैं कि इंजन को इस वाष्पित धातु को एक सुरक्षात्मक ढाल में कैप्चर करने के लिए डिज़ाइन करके, प्रणाली बिना जाम हुए लंबे समय तक चल सकती है। यह दृष्टिकोण इंजन को निरंतर थ्रस्ट बनाए रखने की अनुमति देता है जबकि ईंधन भंडारण को सघन और बिना चलते भागों के रखता है।

इस तकनीक के निहितार्थ विशेष रूप से छोटे उपग्रहों और क्यूबसैट्स (CubeSats) के लिए प्रासंगिक हैं, जिनमें अक्सर बड़े गैस टैंकों के लिए जगह नहीं होती है। अध्ययन बताता है कि 150 किलोग्राम वजन वाला एक उपग्रह केवल कुछ लीटर के आयतन में फिट होने वाले प्रणोदन तंत्र का उपयोग करके प्रमुख कक्षीय युद्धाभ्यास (orbital maneuvers) कर सकता है, जो पारंपरिक गैस इंजनों के साथ असंभव होगा। इसके अलावा, बहुत कम पृथ्वी कक्षा (low Earth orbit) में काम करने की इंजन की क्षमता, जहाँ वायुमंडलीय खिंचाव (drag) अधिक होता है, एक अनूठा लाभ प्रदान करती है। गैस इंजनों के विपरीत जो ऊपरी वायुमंडल के परिवर्तनशील घनत्व के साथ संघर्ष कर सकते हैं, ठोस धातु ईंधन परमाणु ऑक्सीजन के कठोर वातावरण से अप्रभावित रहता है। शोधकर्ता प्रस्ताव देते हैं कि ये धातु थ्रस्टर 'एयर-ब्रीदिंग' इंजनों के साथ मिलकर काम कर सकते हैं, जो एक विश्वसनीय, उच्च-दक्षता वाला बैकअप प्रदान करते हैं जिसे खिंचाव अचानक बढ़ने पर चालू किया जा सकता है।

यह शोध पत्र अपने निष्कर्षों को विस्तृत सिमुलेशन और सैद्धांतिक मॉडलों के माध्यम से प्रस्तुत करता है, जो धातु प्लाज्मा स्रोतों और आयन ऑप्टिक्स के दशकों के पूर्व शोध पर आधारित है। हालांकि अध्ययन पुष्टि करता है कि MPIT सैद्धांतिक रूप से स्थापित गैस इंजनों के प्रदर्शन का मुकाबला कर सकता है और एक बहुत छोटा भौतिक आकार भी प्रदान कर सकता है, यह स्वीकार करता है कि पूर्ण परिचालन स्थिति तक पहुँचने के लिए इस तकनीक को अभी और विकास की आवश्यकता है। शोधकर्ता नोट करते हैं कि ग्रिड संदूषण (contamination) की समस्या, जिसे सही धातु और थर्मल डिज़ाइन के साथ हल किया जा सकता है, एक व्यावहारिक सीमा बनी हुई है जिसे सावधानीपूर्वक प्रबंधित किया जाना चाहिए। उन्नत आयन त्वरण ग्रिडों के साथ एक परिपक्व प्लाज्मा स्रोत को जोड़कर, मेटल प्लाज्मा आयन थ्रस्टर छोटे उपग्रहों को संचालित करने के तरीके में एक संभावित बदलाव का प्रतिनिधित्व करता है, जो भारी ईंधन टैंकों के दंड के बिना लंबे मिशनों और अधिक सक्षम अंतरिक्ष यानों के लिए एक मार्ग प्रदान करता है।