परफेक्टिंग प्रोपल्शन: हम इंसानों को मंगल ग्रह पर कैसे ले जाएंगे

नासा के पर्सीवरेंस, यूएई के होप और चीन के तियानवेन-1 जैसे हाल के मंगल अभियानों के सफल होने के साथ, आपको यह सोचने के लिए माफ किया जा सकता है कि मंगल पर पहुंचना आसान है। लेकिन लाल ग्रह पर रोवर या ऑर्बिटर भेजने और वहां मानवीय उपस्थिति स्थापित करने के लिए हमें जिस तरह के बुनियादी ढांचे और प्रौद्योगिकी की आवश्यकता होगी, उनमें एक बड़ा अंतर है।

हो सकता है कि रासायनिक प्रणोदन हमें सौर मंडल में ले गया हो, लेकिन मानव के अगले चरण के लिए अंतरिक्ष की खोज के लिए, हमें उन प्रौद्योगिकियों की पूर्ति के लिए नई प्रणोदन प्रौद्योगिकियों की आवश्यकता होगी जिनका हम उपयोग कर रहे हैं पिछले 50 साल. मंगल ग्रह पर चालक दल के अभियान के लिए प्रणोदन कैसा दिख सकता है, इसके बारे में विवरण प्राप्त करने के लिए, हमने एसोसिएट प्रोफेसर करीम अहमद से बात की। सेंट्रल फ्लोरिडा विश्वविद्यालय के मैकेनिकल और एयरोस्पेस इंजीनियरिंग विभाग और अत्याधुनिक रॉकेट प्रणोदन में विशेषज्ञ सिस्टम.

यह लेख का हिस्सा है मंगल पर जीवन, एक 10-भाग की श्रृंखला जो अत्याधुनिक विज्ञान और प्रौद्योगिकी की खोज करती है जो मनुष्यों को मंगल ग्रह पर कब्जा करने की अनुमति देगी

पुराना विश्वसनीय: रासायनिक प्रणोदन प्रणाली जिसका हम अभी उपयोग करते हैं

पृथ्वी के वायुमंडल से ऊपर और उससे परे अंतरिक्ष में उड़ान भरने वाले रॉकेट को भेजने के लिए, आपको बहुत अधिक जोर की आवश्यकता होती है। आपको न केवल पृथ्वी के वायुमंडल से घर्षण का प्रतिकार करना होगा, बल्कि गुरुत्वाकर्षण के महत्वपूर्ण बल का भी प्रतिकार करना होगा, जो वस्तुओं को वापस जमीन पर खींचता है।

1950 के दशक से, हमने रॉकेटों को शक्ति प्रदान करने के लिए उसी मूल सिद्धांत का उपयोग किया है, जिसे रासायनिक प्रणोदन कहा जाता है। मूलतः, आप एक प्रणोदक (ईंधन और एक ऑक्सीडाइज़र का मिश्रण) प्रज्वलित करते हैं, जो गर्मी पैदा करता है। यह ऊष्मा रॉकेट के अंदर की सामग्री का विस्तार करती है, जिसे बाद में रॉकेट के पीछे से बाहर धकेल दिया जाता है। प्रणोदक के इस निष्कासन से जोर पैदा होता है, जो रॉकेट को जबरदस्त बल के साथ ऊपर की ओर धकेलता है, और यह बल उसे गुरुत्वाकर्षण के प्रभाव पर काबू पाने और हमारे ग्रह से परे अंतरिक्ष में भागने की अनुमति देता है।

“रासायनिक-आधारित प्रणोदन वास्तव में तेज़ दरों पर प्रणोदकों में गर्मी जोड़ रहा है। वह प्रणोदक, एक बार जब आप इसे वास्तव में उच्च ताप पर रखते हैं, तो यह बहुत तेज़ वेग से फैलता है, ”अहमद ने समझाया। “वह वेग इस बात पर निर्भर करता है कि आप कितनी गर्मी डाल रहे हैं। तो इसे ऐसे समझें कि जब आपके पास विस्फोट होता है, तो आपके पास भारी मात्रा में गैस होती है जो तेजी से आगे बढ़ रही है। और यही वेग है।”

अन्य प्रकार के प्रणोदन पर विचार किए जाने की तुलना में रासायनिक प्रणोदन का यह बड़ा लाभ है: गति। रासायनिक प्रणोदन रॉकेटों को वास्तव में बहुत तेजी से आगे बढ़ने में मदद करता है। लेकिन यह हमेशा सबसे कारगर विकल्प नहीं होता है.

अहमद ने कहा, "इसे प्रियस बनाम कार्वेट की तरह सोचें।" "यदि आप बिंदु A से बिंदु B तक बहुत तेजी से जाना चाहते हैं, तो रासायनिक-आधारित प्रणोदन को हराना कठिन है।" हालाँकि, जब आप अधिक कुशल होना चाहते हैं, तो अन्य प्रणोदन प्रणालियाँ अपने आप में आ सकती हैं। "यदि आप बिंदु A से बिंदु B तक उचित गति लेकिन उच्च दक्षता पर जाने का प्रयास कर रहे हैं, तो रासायनिक-आधारित प्रणोदन सही उपकरण नहीं हो सकता है।"

रासायनिक प्रणोदन प्रणाली में सुधार

रासायनिक प्रणोदन का सिद्धांत भले ही पिछले कई दशकों से वैसा ही रहा हो, लेकिन वह इसका मतलब यह नहीं है कि प्रौद्योगिकी में सुधार नहीं किए जा रहे हैं - जैसे कि विभिन्न प्रकारों में अनुसंधान ईंधन का.

ईंधन के प्रकारों की दक्षता ऊर्जा घनत्व का मामला है - एक निश्चित मात्रा में ईंधन द्वारा कितनी ऊर्जा संग्रहीत की जा सकती है। इसीलिए हाइड्रोजन जैसी किसी चीज़ को ईंधन के रूप में उपयोग करना मुश्किल है, भले ही यह रासायनिक प्रतिक्रियाओं में बहुत अधिक गर्मी छोड़ता है, क्योंकि यह बहुत हल्का है और इसका घनत्व कम है। कम जगह में बहुत अधिक मात्रा में हाइड्रोजन को संग्रहित करना कठिन है, इसलिए यह बहुत कुशल ईंधन नहीं बन पाता है।

वर्तमान रॉकेट अक्सर केरोसिन-आधारित ईंधन का उपयोग करते हैं - मूल रूप से जेट ईंधन के समान ही - लेकिन अभी रुचि का बड़ा क्षेत्र मीथेन- या प्राकृतिक-गैस-आधारित ईंधन पर ध्यान दे रहा है। जरूरी नहीं कि यह ईंधन प्रणोदक के रूप में अधिक प्रभावी हो, लेकिन यह काफी सस्ता होगा क्योंकि प्राकृतिक गैस प्रचुर मात्रा में है और हमारे पास इसे इकट्ठा करने के लिए पहले से ही तकनीक मौजूद है।

उदाहरण के तौर पर अहमद ने कहा, "अगर स्पेसएक्स अपने फाल्कन 9 को उड़ाने के लिए प्राकृतिक गैस का उपयोग कर सकता है, तो उनके पास बहुत बचत होगी और इसलिए अंतरिक्ष अन्वेषण में तेजी आएगी।" "अगर हम बाहरी कक्षा में जाने की लागत कम कर सकें, तो इससे अंतरिक्ष हमारे लिए अधिक सुलभ हो जाएगा।"

अनुसंधान का एक अन्य क्षेत्र स्वयं इंजनों को बेहतर बनाना है। अहमद की टीम रोटेटिंग डेटोनेशन रॉकेट इंजन नामक सिस्टम पर काम करने वाले कई समूहों में से एक है, जो पारंपरिक इंजनों की तुलना में कम ईंधन से अधिक बिजली उत्पन्न कर सकता है।

इंजन में डाली जाने वाली हाइड्रोजन और ऑक्सीजन की मात्रा को सावधानीपूर्वक नियंत्रित करके, दबाव अधिक प्रभावी ढंग से बनाया जा सकता है। यह एक बहुत शक्तिशाली कंप्रेसर की आवश्यकता को समाप्त करके रॉकेट इंजन के आकार को कम कर सकता है, और यह ईंधन का भी अधिक कुशलता से उपयोग करता है। प्रौद्योगिकी जल्द ही प्रयोग करने योग्य होने की राह पर है: अहमद का कहना है कि अमेरिकी वायु सेना 2025 तक ऐसे इंजन का परीक्षण करने की योजना बना रही है।

रासायनिक प्रणोदन कहीं क्यों नहीं जा रहा है?

पृथ्वी से उड़ान भरने के लिए रसायन आधारित प्रणोदन आवश्यक है। “जमीनी स्तर से, रासायनिक-आधारित प्रणोदन महत्वपूर्ण हो जाता है क्योंकि आपको उस वजन को जमीन से ऊपर और अधिक ऊंचाई तक ले जाने के लिए उतनी ही शक्ति की आवश्यकता होती है। गुरुत्वाकर्षण बल पर काबू पाने के लिए, ”अहमद ने समझाया।

उन्होंने स्पेसएक्स का उदाहरण पेश किया। जब कंपनी एक रॉकेट लॉन्च करती है, तो वह टेस्ला द्वारा उपयोग की जाने वाली विद्युत प्रणाली का उपयोग क्यों नहीं करती है? दोनों कंपनियों का स्वामित्व एक ही व्यक्ति, एलोन मस्क के पास है, इसलिए निश्चित रूप से वे प्रौद्योगिकियों को साझा कर सकते हैं। लेकिन एक विद्युत प्रणोदन प्रणाली एक रॉकेट को जमीन से ऊपर उठाने के लिए आवश्यक जोर की मात्रा उत्पन्न नहीं कर सकती है - यह बस पर्याप्त बिजली का उत्पादन नहीं करती है।

इसलिए हमें निकट भविष्य में रॉकेट लॉन्च करने के लिए रासायनिक प्रणोदन का उपयोग जारी रखना होगा। लेकिन रॉकेट के कक्षा में आने के बाद यह बदल जाता है। एक बार जब यह पृथ्वी के गुरुत्वाकर्षण पर काबू पा लेता है और अंतरिक्ष में होता है, तो यह क्रूज़ नियंत्रण का उपयोग करने जैसा होता है। अंतरिक्ष में किसी अंतरिक्ष यान को नियंत्रित करने के लिए अपेक्षाकृत कम जोर की आवश्यकता होती है, क्योंकि इससे निपटने के लिए कोई वायु घर्षण या नीचे की ओर गुरुत्वाकर्षण खिंचाव नहीं होता है। आप निकटवर्ती ग्रहों और चंद्रमाओं के गुरुत्वाकर्षण बलों का भी उपयोग कर सकते हैं।

इसलिए अधिक कुशल संचालन के लिए एक अलग प्रणोदन प्रणाली अपना काम कर सकती है।

एक अधिक कुशल विकल्प: विद्युत प्रणोदन

एक बार जब रॉकेट कक्षा में होता है, तो उसे अक्सर प्रक्षेप पथ में बदलाव करने की आवश्यकता होती है - इसके वेग को समायोजित करने और यह सुनिश्चित करने के लिए कि यह सही दिशा में जा रहा है, छोटे समायोजन। इसके लिए थ्रस्ट सिस्टम की आवश्यकता होती है। “किसी वाहन को उड़ाने के लिए, शून्य-वेग की स्थिति से बाहर निकलने के लिए और उसे ऊपर उठाने तथा आपके द्वारा उठाए जा रहे वजन के गुरुत्वाकर्षण बल पर काबू पाने के लिए आपको हजारों न्यूटन की आवश्यकता होती है। इसीलिए आपको एक बड़े, बड़े रॉकेट सिस्टम की आवश्यकता है। लेकिन बाहरी कक्षा में, अब आपको प्रभावित करने वाली गुरुत्वाकर्षण शक्तियाँ नहीं हैं, आपके पास बस अपना टर्मिनल वेग है जिस पर आप काबू पाने की कोशिश कर रहे हैं,'' अहमद ने समझाया।

और अंतरिक्ष यान के मार्ग को समायोजित करने के लिए आवश्यक बल उत्पन्न करने के बहुत सारे तरीके हैं। "जोर तो जोर है," उन्होंने कहा। “आप बड़े पैमाने पर इंजेक्शन लगा रहे हैं। आप द्रव्यमान को फेंक रहे हैं, इसलिए यह आपको विपरीत दिशा में ले जाता है। यह द्रव्यमान की मात्रा है, और आप कितनी तेजी से उस द्रव्यमान को समाप्त कर रहे हैं।"

छोटे उपग्रहों या छोटे उपग्रहों में अक्सर उपयोग की जाने वाली तकनीक विद्युत प्रणोदन है। वे गैस प्रणोदक को आयनित करने के लिए विद्युत ऊर्जा (अक्सर सौर पैनलों का उपयोग करके एकत्रित) का उपयोग करते हैं। फिर इस आयनित गैस को इलेक्ट्रॉनिक या चुंबकीय क्षेत्र का उपयोग करके उपग्रह के पीछे से बाहर निकाला जाता है, जिससे जोर पैदा होता है जो अंतरिक्ष यान को गति देता है।

यह एक अत्यंत कुशल प्रणाली है जिसका उपयोग तक किया जा सकता है 90% कम ईंधन रासायनिक प्रणोदन की तुलना में.

अहमद ने कहा, "विद्युत प्रणोदन के लिए, आपका द्रव्यमान बहुत छोटा है और आपको जोर देने के लिए वास्तव में बहुत अधिक वेग की आवश्यकता नहीं है।" और इलेक्ट्रॉनिक प्रणोदन प्रणाली वस्तुतः किसी भी सामग्री को आयनित कर सकती है, इसलिए वे जो भी उपलब्ध है उसके साथ काम कर सकते हैं।

कमरे में हाथी: परमाणु प्रणोदन

अंतरिक्ष में परमाणु ऊर्जा के विचार से लोग अक्सर असहज रहते हैं। और निश्चित रूप से सुरक्षा संबंधी चिंताएँ हैं जिन पर परमाणु ऊर्जा का उपयोग करते समय विचार किया जाना चाहिए, विशेष रूप से चालक दल वाले मिशनों के लिए। लेकिन परमाणु प्रणोदन शायद वह साधन हो सकता है जो हमें दूर के ग्रहों पर जाने की अनुमति देता है।

अहमद ने बताया, "परमाणु वास्तव में अत्यधिक कुशल है।" एक परमाणु प्रणोदन प्रणाली एक रिएक्टर के माध्यम से काम करती है जो गर्मी उत्पन्न करती है, जिसका उपयोग फिर एक प्रणोदक को गर्म करने के लिए किया जाता है जिसे जोर पैदा करने के लिए निष्कासित किया जाता है। यह रासायनिक-आधारित प्रणोदन की तुलना में इस प्रणोदक का कहीं अधिक कुशलता से उपयोग करता है।

और यह टिकाऊ है, जो इसका बड़ा लाभ है। अहमद ने कहा, "एक रसायन-आधारित प्रणाली, आप प्रणोदक को जला रहे हैं और इसे ख़त्म कर रहे हैं, और अब आपके पास यह नहीं है।" “आपने वह ऊर्जा जारी की और आपने उसे खो दिया। परमाणु-आधारित प्रणाली के विपरीत, आप जिस यूरेनियम या प्लूटोनियम का उपयोग करने जा रहे हैं वह मौजूद है और वह ख़त्म नहीं होने वाला है। यह टिकाऊ है क्योंकि आप अपने मुख्य रिएक्टर को बनाए रखते हैं।"

हालाँकि यह प्रतिक्रिया टिकाऊ है, तथापि, इससे उत्पन्न होने वाली गर्मी को अभी भी एक द्रव्यमान में प्रवाहित करने की आवश्यकता है। आप प्रतिक्रिया में उपयोग किए जा रहे यूरेनियम या प्लूटोनियम को ख़त्म नहीं करना चाहेंगे। उपयोगी बात यह है कि गर्म की जाने वाली सामग्री व्यावहारिक रूप से कोई भी गैस या ठोस हो सकती है, हालांकि गैस बेहतर है क्योंकि यह गर्मी के प्रति बेहतर प्रतिक्रिया करती है।

अंतरिक्ष में, उपयोग करने के लिए कोई गैस नहीं है, इसलिए आपको अभी भी कुछ अपने साथ लाने की आवश्यकता होगी। लेकिन मंगल जैसे वायुमंडल वाले ग्रह पर, आप सैद्धांतिक रूप से प्रणोदक के रूप में कार्बन डाइऑक्साइड जैसी आसानी से उपलब्ध गैसों का उपयोग कर सकते हैं।

नासा वर्तमान में विशेष रूप से मंगल ग्रह पर मिशन के लिए परमाणु प्रणोदन प्रणाली पर विचार कर रहा है। “नासा का लक्ष्य पृथ्वी और मंगल ग्रह के बीच चालक दल के यात्रा के समय को व्यावहारिक रूप से कम से कम दो साल तक करना है। अंतरिक्ष परमाणु प्रणोदन प्रणालियाँ कुल मिशन समय को कम करने में सक्षम हो सकती हैं और मिशन डिजाइनरों के लिए बेहतर लचीलापन और दक्षता प्रदान कर सकती हैं, ”एजेंसी परमाणु प्रणालियों के बारे में लिखा. लेकिन अभी तक कोई ठोस निर्णय नहीं लिया गया है. "यह कहना जल्दबाजी होगी कि कौन सी प्रणोदन प्रणाली पहले अंतरिक्ष यात्रियों को मंगल ग्रह पर ले जाएगी, क्योंकि प्रत्येक दृष्टिकोण के लिए महत्वपूर्ण विकास की आवश्यकता है।"

यह एक या दूसरा नहीं है; यह उपरोक्त सभी है

हम अभी भी मंगल ग्रह पर मानवयुक्त मिशन के प्रारंभिक योजना चरण में हैं। जब अपने अगले कदमों की योजना बनाने की बात आती है तो हमें व्यावहारिक आवश्यकताओं के साथ-साथ लागत जैसे कारकों पर भी विचार करना होगा।

अहमद को नहीं लगता कि एक प्रणोदन प्रणाली खुद को दूसरों से बहुत बेहतर साबित करने जा रही है। इसके बजाय, वह विशिष्ट मिशन आवश्यकताओं के अनुसार उपयोग की जाने वाली विभिन्न प्रणालियों के संयोजन की कल्पना करता है।

"मैं कहूंगा कि सभी तीन प्रणालियों की आवश्यकता होगी," उन्होंने समझाया। "आपके पास एक आदर्श प्रणोदन प्रणाली नहीं है जो आपके सभी मिशनों में फिट बैठती हो।" हालाँकि किसी भी मिशन के लिए रासायनिक प्रणोदन का उपयोग करना संभव है, यह है हमेशा उपयुक्त नहीं - उन्होंने इसकी तुलना फेरारी का उपयोग करके अगले दरवाजे वाली इमारत में जाने और जब आप बस कर सकते थे तो बहुत सारा ईंधन बर्बाद करने से की टहलना।

मंगल ग्रह पर क्रू मिशन के लिए, "आपको परमाणु का उपयोग करना होगा, आपको विद्युत का उपयोग करना होगा, और रासायनिक-आधारित का उपयोग करना होगा जिसके बिना आप दूर नहीं जा सकते," उन्होंने कहा। उदाहरण के लिए, आप आवास जैसे सामान पहुंचाने के लिए विद्युत प्रणोदन प्रणाली का उपयोग कर सकते हैं, परमाणु प्रणोदन का उपयोग कर सकते हैं पृथ्वी और मंगल ग्रह के बीच एक विश्वसनीय रिले प्रणाली स्थापित करना, और फिर रासायनिक प्रणोदन का उपयोग करके अपने अंतरिक्ष यात्रियों को भेजना प्रणाली। ऐसा इसलिए है क्योंकि मनुष्य, मूलतः, हार्डवेयर के भारी टुकड़े हैं। "हमारा द्रव्यमान हल्का नहीं है!" उन्होंने कहा। “हम एक महत्वपूर्ण मात्रा में जनसमूह हैं, यहाँ तक कि केवल कुछ कर्मियों के लिए भी। इसलिए आपको उस रसायन-आधारित प्रणोदन की आवश्यकता है।"

क्या हम मंगल ग्रह के लिए तैयार हैं?

मंगल ग्रह पर मानवयुक्त मिशन की व्यवस्था करने में कई जटिलताएँ हैं। लेकिन जब प्रणोदन प्रणाली की बात आती है, तो हमारे पास कल वहां एक मिशन भेजने की तकनीक है।

अहमद ने कहा, "पारंपरिक '50 के दशक पर आधारित रॉकेट मोटरें आपको वहां ले जाएंगी।" सीमित करने वाला कारक कुछ अधिक संभावनापूर्ण साबित होता है। "सवाल यह है कि इसकी आपको कितनी कीमत चुकानी पड़ेगी।"

रसायन-आधारित प्रणोदन प्रणाली का उपयोग करके मंगल ग्रह पर रॉकेट भेजना बहुत, बहुत महंगा है। और जबकि मंगल ग्रह की अधिक खोज के लिए सार्वजनिक और अकादमिक दोनों में भूख है, ऐसे मिशन के लिए उपलब्ध धन की मात्रा अंतहीन नहीं है। इसलिए, हमें अन्वेषण को और अधिक किफायती बनाने के लिए विद्युत या परमाणु प्रणोदन प्रणाली जैसी प्रौद्योगिकियों को विकसित करने और उनका दोहन करने की आवश्यकता होगी।

यहां तक ​​कि रसायन-आधारित प्रणोदन के क्षेत्र में भी, प्रौद्योगिकी में विकास, जैसे रोटेशन डेटोनेशन इंजन या नए ईंधन, लागत को कम करने में मदद कर सकते हैं, जो अधिक अन्वेषण को बढ़ावा देगा। उन्होंने कहा, "चुनौती उन इंजीनियरिंग प्रणालियों को विकसित करने की है जो मौजूदा रॉकेट प्रणालियों की तुलना में अधिक किफायती हों।" “50 के दशक की तकनीक आपको बिना किसी समस्या के मंगल ग्रह तक पहुंचाएगी। यह बहुत ही बढ़िया, बहुत महंगा है। और कोई भी इसके लिए भुगतान नहीं करना चाहेगा। लेकिन तकनीक मौजूद है।"

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