एरोब्रेकिंग की नाजुक कला: शुक्र की खोज की कुंजी

शुक्र का दशक लगभग हम पर है। साथ तीन आगामी शुक्र मिशन नासा और यूरोपीय अंतरिक्ष एजेंसी (ईएसए) की योजना के अनुसार, हम अपने पड़ोसी ग्रह के बारे में पहले से कहीं अधिक जानने की कगार पर हैं।

लेकिन हम केवल ग्रह विज्ञान के बारे में ही नहीं सीखेंगे। इस बार हम यह भी सीखेंगे कि एक विदेशी वातावरण में अंतरिक्ष यान को कैसे नियंत्रित किया जाए, दो मिशनों के लिए धन्यवाद - ईएसए का कल्पना करना और नासा के वेरिटास - जो अपने अंतरिक्ष यान को अपने विज्ञान के लिए सही कक्षा में ले जाने के लिए एयरोब्रेकिंग नामक एक नई तकनीक का उपयोग करने के लिए तैयार हैं।

हमने एनविज़न मिशन के इंजीनियरों और वैज्ञानिकों से यह जानने के लिए बात की कि वे इसे कैसे पूरा करने की योजना बना रहे हैं - और वे इससे क्या सीख सकते हैं।

वातावरण का उपयोग धीमा करना

आम तौर पर, आप एक अंतरिक्ष यान को उसी तरह धीमा कर देंगे जैसे आप इसे गति देते हैं: ईंधन जलाकर। रासायनिक प्रणोदन बहुत तेज़ी से बहुत अधिक बल उत्पन्न करने का एक शानदार तरीका है, और आपको अपने मूल से लॉन्च करने और अपने गंतव्य पर कक्षा में प्रवेश करने के लिए इसकी आवश्यकता होती है।

हालाँकि, ईंधन भी बहुत भारी है। और जब रॉकेट प्रक्षेपण की बात आती है तो वजन ही पैसा है। एक अंतरिक्ष यान जितना अधिक ईंधन ले जाएगा, उसे लॉन्च करना उतना ही महंगा होगा और वैज्ञानिक उपकरणों के लिए कम छूट होगी।

इसलिए पिछले कुछ दशकों में, अंतरिक्ष इंजीनियर किसी अंतरिक्ष यान को धीमा करने का अधिक कुशल तरीका विकसित कर रहे हैं। ईंधन जलाने के बजाय, यह नई विधि उस वातावरण का लाभ उठाती है जो उन अधिकांश स्थानों पर मौजूद है जहां हम जाना चाहते हैं। अंतरिक्ष यान वायुमंडल के ऊपरी किनारों तक पहुंचता है और उसमें डुबकी लगाता है, जहां घर्षण से यह थोड़ी मात्रा में धीमा हो जाएगा। फिर अंतरिक्ष यान दोबारा गोता लगाने से पहले वापस ऊपर की ओर खींचता है, कई बार गोता लगाने के बाद धीरे-धीरे धीमा होता जाता है और समय के साथ अपनी कक्षा को कम करता जाता है।

एरोब्रेकिंग नामक इस विधि का उपयोग मंगल ग्रह पर अंतरिक्ष यान द्वारा किया गया है, और यहां तक ​​कि पृथ्वी पर लौटने वाले अंतरिक्ष यान के लिए भी इसका प्रयोग किया गया है। लेकिन अब मिशन टीमें आगामी दो शुक्र मिशनों के लिए भी इस तकनीक का उपयोग करना चाहती हैं।

मैगलन और वीनस एक्सप्रेस जैसे कुछ पिछले वीनस अंतरिक्ष यान के अंत में एयरोब्रेकिंग का उपयोग किया गया है उनके मिशन, जब उनका मुख्य विज्ञान कार्य पूरा हो गया था और टीमें प्रयोग करना चाहती थीं तकनीक. लेकिन EnVision और VERITAS सही कक्षा में जाने के लिए अपने मिशन की शुरुआत में एयरोब्रेकिंग का उपयोग करने वाले पहले अंतरिक्ष यान होंगे।

15 महीने की मैराथन 

जब एनविज़न शुक्र ग्रह पर पहुंचेगा, तो यह 150,000 मील की ऊंचाई पर परिक्रमा कर रहा होगा। और टीम जो रीडिंग चाहती है उसे प्राप्त करने के लिए इसे सतह से 300 मील ऊपर तक नीचे जाना होगा। ऐसा करने के लिए, यह 15 महीने से दो साल के बीच की अवधि में हजारों बार वायुमंडल में डुबकी लगाएगा और धीरे-धीरे सही कक्षा में प्रवेश करेगा।

इसके लिए सावधानीपूर्वक योजना की आवश्यकता होती है, लेकिन यह अनुमान लगाने के लिए कि युद्धाभ्यास अंतरिक्ष यान को कैसे प्रभावित करेगा, वायुमंडलीय स्थितियों के विस्तृत ज्ञान की भी आवश्यकता होती है। एयरोब्रेकिंग को प्रभावित करने वाले सबसे बड़े कारक तापमान, घनत्व और हवा की गति होंगे, ये सभी शुक्र के वायुमंडल के विभिन्न हिस्सों में काफी भिन्न होते हैं।

उदाहरण के लिए, यह मंगल ग्रह पर एयरोब्रेकिंग की तुलना में शुक्र पर एयरोब्रेकिंग को अधिक जटिल बनाता है। शुक्र में मंगल की तुलना में बहुत अधिक गुरुत्वाकर्षण है, जिसका अर्थ है कि वायुमंडल से गुजरते समय अंतरिक्ष यान को बहुत अधिक गति का अनुभव होगा। इसीलिए इस प्रक्रिया में इतना समय लगने वाला है।

शुक्र का कठोर वातावरण

एक और चुनौती यह है कि शुक्र एक है अत्यंत दुर्गम स्थान, और इसका विस्तार इसके वातावरण तक भी होता है। शुक्र पृथ्वी की तुलना में सूर्य के अधिक निकट है, इसलिए इसे काफी गर्मी और सौर विकिरण प्राप्त होता है जिसे अंतरिक्ष यान को झेलने में सक्षम होने की आवश्यकता होती है। और जैसे ही अंतरिक्ष यान एयरोब्रेकिंग के लिए वायुमंडल में गिरता है, घर्षण के कारण यह धीमा हो जाता है - लेकिन इससे हीटिंग भी होता है।

अंतरिक्ष यान जिस सटीक तापमान का अनुभव करेगा वह अंतिम डिज़ाइन निर्णयों पर निर्भर करेगा, लेकिन यह इसमें होगा एनविज़न के सामग्री वैज्ञानिक एड्रियन टिघे ने कहा, "उच्चतम तापमान के लिए शायद 200 या 300 डिग्री सेंटीग्रेड का क्षेत्र" कहा। सूर्य से पराबैंगनी विकिरण भी है जिसे अंतरिक्ष यान को संभालना होगा। "यह सामग्रियों के लिए काफी कठोर वातावरण है।"

हालाँकि, एयरोब्रेकिंग के दौरान अंतरिक्ष यान के लिए सबसे बड़ा खतरा गर्मी या विकिरण नहीं है। बल्कि, यह ऊपरी वायुमंडल, परमाणु ऑक्सीजन का एक घटक है। पृथ्वी पर अधिकांश ऑक्सीजन अणुओं के विपरीत, जो दो ऑक्सीजन परमाणुओं से बने होते हैं, परमाणु ऑक्सीजन सूर्य से विकिरण द्वारा विभाजित हो गया है और इसलिए केवल एक ऑक्सीजन परमाणु है। इसका मतलब है कि यह अत्यधिक प्रतिक्रियाशील है, इसलिए यह सामग्रियों को खा सकता है और उन्हें संक्षारित कर सकता है।

यह अंतरिक्ष यान के लिए बुरी खबर है, जिसे महीनों तक चलने वाले एयरोब्रेकिंग चरण में जीवित रहना होगा और फिर अपने विज्ञान मिशन पर जाने में सक्षम होना होगा। और अंतरिक्ष यान सचमुच इन कणों से बमबारी करेगा, क्योंकि यह लगभग पांच मील प्रति सेकंड की उच्च गति से आगे बढ़ेगा। "यह एक रासायनिक प्रतिक्रिया और प्रभाव की गति का एक संयोजन है" जो समस्या का कारण बनेगा, टिघे ने समझाया, कण अंतरिक्ष यान पर "तेज गति से चलने वाली गोली की तरह" हमला करते हैं।

शुक्र-प्रूफ सामग्री ढूँढना

परमाणु ऑक्सीजन धातुओं को ऑक्सीकरण कर सकता है, लेकिन पॉलिमर के लिए यह और भी बुरा है। कार्बन, हाइड्रोजन और ऑक्सीजन से बनी ये प्लास्टिक जैसी सामग्रियां, परमाणु ऑक्सीजन के साथ प्रतिक्रिया करके कार्बन डाइऑक्साइड जैसे यौगिक बनाती हैं जो वाष्पित हो जाते हैं, और वह सामग्री अंतरिक्ष में खो जाती है। परमाणु ऑक्सीजन पेंट के साथ भी प्रतिक्रिया कर सकता है, जैसे सफेद पेंट जो गर्मी को दूर प्रतिबिंबित करने के लिए आवश्यक होते हैं जो भूरा हो सकता है और कम प्रभावी हो सकता है, साथ ही इन्सुलेशन सामग्री जिसे मल्टीलेयर कहा जाता है इन्सुलेशन।

सबसे बड़ी चिंता अंतरिक्ष यान के सौर पैनल हैं, क्योंकि वे बहुत खुले होते हैं। सौर सेल कांच से ढके होते हैं, जो परमाणु ऑक्सीजन के प्रति प्रतिरोधी होते हैं, लेकिन इन्हें आमतौर पर कार्बन फाइबर से बने सब्सट्रेट में स्थापित किया जाता है, जो क्षरण के प्रति संवेदनशील होता है। एक अन्य संवेदनशील घटक सेल और पैनल के बीच इन्सुलेशन के रूप में उपयोग की जाने वाली पतली पन्नी है, जिसे कैप्टन कहा जाता है। और विभिन्न कोशिकाओं को जोड़ने वाली एक पतली पन्नी होती है, जो कभी-कभी चांदी से बनी होती है - और वह संवेदनशील भी होती है। इसलिए इंजीनियर या तो विभिन्न सामग्रियों को चुनने पर काम कर रहे हैं, या सामग्रियों को परमाणु ऑक्सीजन के संपर्क से बचाने के तरीके ढूंढ रहे हैं।

हालाँकि परमाणु ऑक्सीजन पृथ्वी की सतह पर अधिक नहीं पाई जाती है, लेकिन हमें इससे निपटने की कुछ समझ है क्योंकि यह पृथ्वी की कक्षा में पाई जाती है। उपग्रहों को परमाणु ऑक्सीजन के एक निश्चित घनत्व का सामना करने के लिए डिज़ाइन किया गया है, इसलिए इंजीनियर इसे प्रतिरोधी बनाने के लिए एनविज़न अंतरिक्ष यान को डिजाइन करने के लिए समान सिद्धांतों का उपयोग कर रहे हैं। लेकिन पृथ्वी के पर्यावरण में इतना उच्च तापमान शामिल नहीं है, इसलिए परमाणु ऑक्सीजन और उच्च तापमान का संयोजन एक नई चुनौती है।

"इसलिए हमें सबसे मजबूत सामग्रियों का उपयोग करना पड़ा," टिघे ने कहा, जिनका समूह इन्सुलेशन, पेंट और सौर ऊर्जा जैसी सामग्रियों का परीक्षण करने में व्यस्त है। पैनल घटकों को ऐसे घटकों को ढूंढना है जो अपने मुख्य मिशन को शुरू करने से पहले इस कठोर वातावरण के 15 महीनों का सामना करने में सक्षम होंगे।

विज्ञान डेटा निःशुल्क

एनविज़न का मुख्य मिशन तब तक शुरू नहीं होगा जब तक कि एयरोब्रेकिंग युद्धाभ्यास अंतरिक्ष यान को 130 और 340 मील के बीच की अंतिम कक्षा में नहीं ले आता। लेकिन वैज्ञानिक कभी भी सीखने का मौका हाथ से नहीं जाने देते, इसलिए एक शोध टीम इस बात पर काम कर रही है कि वे एयरोब्रेकिंग चरण के दौरान भी शुक्र के बारे में क्या सीख सकते हैं।

वायुमंडलीय वैज्ञानिक ग्रह के ऊपरी वायुमंडल का नज़दीकी दृश्य प्राप्त करने की संभावना से उत्साहित हैं, जिसका अध्ययन शायद ही कभी किया जाता है। एनविज़न वैज्ञानिक गैब्रिएला गिल्ली के अनुसार, ऊपरी वायुमंडल का अध्ययन करना कठिन है स्पेन में इंस्टीट्यूटो डी एस्ट्रोफिसिका डी अंडालुसिया, क्योंकि यह घने निचले हिस्से की तुलना में बहुत पतला है वायुमंडल। “दूरसंवेदी उपकरणों से मापना कठिन है। इतने छोटे घनत्व को मापने के लिए हमारे पास उपकरणों के लिए पर्याप्त सटीकता नहीं है," गिल्ली ने समझाया।

इसीलिए एयरोब्रेकिंग पैंतरेबाज़ी ऐसा अनोखा वैज्ञानिक अवसर प्रदान करती है। युद्धाभ्यास के दौरान घनत्व और तापमान जैसे कारकों का माप लेकर, वैज्ञानिक वायुमंडल के ऊपरी क्षेत्र की अधिक व्यापक तस्वीर बना सकते हैं।

गिल्ली ने कहा, "हम वास्तव में जानना चाहते हैं कि ग्रह के हर हिस्से में वायुमंडल की स्थिति क्या है।" लेकिन वर्तमान में, शुक्र से हमारे पास जो सीमित डेटा है वह अत्यधिक स्थानीयकृत टिप्पणियों तक ही सीमित है। दिन के दौरान और रात के दौरान वातावरण कैसे व्यवहार करता है, इसके बीच भी बहुत अंतर है, जिसे हम अभी समझना शुरू ही कर रहे हैं।

यदि वैज्ञानिक इस चरण के दौरान ऊपरी वायुमंडल पर डेटा प्राप्त कर सकते हैं, तो वे इसकी तुलना अन्य मिशनों के डेटा से कर सकते हैं DaVinci की तरह वातावरण में जो कुछ भी घटित हो रहा है उसे केवल एक के बजाय समग्र रूप से एक साथ जोड़ने का प्रयास करना जगह।

परिस्थितियों के अनुसार समायोजन

हालाँकि, एयरोब्रेकिंग चरण के दौरान एकत्र किए गए अवलोकन न केवल वैज्ञानिक रुचि के होंगे। उन्हें अंतरिक्ष यान टीम को भी वापस भेजा जाएगा, जो युद्धाभ्यास के तरीके को समायोजित कर सकते हैं योजनाबद्ध यदि, मान लीजिए, यह पता चलता है कि वायुमंडल के एक हिस्से में घनत्व जो था उससे भिन्न है अपेक्षित।

गिल्ली ने समझाया, "शुक्र का वातावरण अत्यंत परिवर्तनशील है, जिसका अर्थ है कि इसका तापमान और घनत्व जटिल तरीकों से बदलता है। "और वायुमंडल के ऊपरी भाग में परिवर्तनशीलता और भी अधिक है।"

इसका मतलब यह है कि अंतरिक्ष यान के शुक्र पर पहुंचने के बाद हमें क्या उम्मीद करनी है, इसके बारे में हमारी सीमित भविष्यवाणियों में काफी समायोजन की आवश्यकता हो सकती है। एनविज़न स्टडी मैनेजर थॉमस वोइरिन के अनुसार, अंतरिक्ष यान जिन स्थितियों का सामना करेगा, उन्हें मॉडल करना "प्रक्षेपण तक निरंतर प्रगति पर काम" होगा।

और लॉन्च के बाद भी, एयरोब्रेकिंग युद्धाभ्यास को समायोजित करना एक पुनरावृत्तीय प्रक्रिया है। मिशन टीम के पास ऐसे मॉडल हैं जो वे खोजने की उम्मीद कर सकते हैं, लेकिन "निश्चित रूप से, वास्तविकता अलग होगी," वोइरिन ने कहा। भविष्यवाणियों से विभिन्न संभावित विचलनों की अनुमति देने के लिए, पूरी प्रक्रिया को व्यापक मार्जिन के साथ डिज़ाइन किया गया है।

एक नाजुक दौर

किसी भी अंतरग्रहीय मिशन को लॉन्च करना कठिन है, लेकिन शुक्र पर एयरोब्रेकिंग एक विशेष चुनौती है। वायुमंडल के कुछ हिस्सों के तेजी से घूमने से लेकर तेज हवाओं के साथ सौर गतिविधि के प्रभाव तक और उच्च परिवर्तनशीलता, ऐसे कई कारक हैं जिनसे एनविज़न जैसे अंतरिक्ष यान को जूझना होगा साथ।

“यह एक बहुत ही चुनौतीपूर्ण चरण है। बहुत ही नाजुक चरण,'' गिल्ली ने कहा।

लेकिन अगर यह काम करता है, तो यह अंतरिक्ष यान को उनकी कक्षाओं में पहुंचाने का एक नया और अधिक किफायती तरीका प्रदर्शित कर सकता है - और इसका मतलब है कि मिशन अपने विज्ञान लक्ष्यों में अधिक महत्वाकांक्षी हुए बिना भी अधिक महत्वाकांक्षी हो सकते हैं महँगा।

यह प्रक्रिया लंबी है, और इसके लिए शोधकर्ताओं और जनता से धैर्य की आवश्यकता होगी, लेकिन इसमें शुक्र पर ग्रह विज्ञान के हमारे तरीके को बदलने की क्षमता है।

“यह काफी जटिल चीज़ लगती है। आप सोचते हैं, अच्छा, आप ऐसा क्यों करेंगे? जो काफी जोखिम भरा काम है उसके इंतजार में आप दो साल क्यों बिताएंगे? ऐसा इसलिए है क्योंकि यह वास्तव में मिशन को सक्षम बनाता है," तिघे ने कहा। और इसमें स्वाभाविक रूप से कुछ संतुष्टिदायक बात भी है। “यह बिल्कुल साफ-सुथरा है, वातावरण का उपयोग करके आप कक्षा में प्रवेश कर सकते हैं। ऐसा करने का यह एक अच्छा तरीका है।"

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