परमाणु-संचालित अंतरिक्ष यान: परमाणु रॉकेट के सपने वापस क्यों आ रहे हैं - भौतिकी विश्व

<a href="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/nuclear-powered-spacecraft-why-dreams-of-atomic-rockets-are-back-on-physics-world-6.jpg" data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/nuclear-powered-spacecraft-why-dreams-of-atomic-rockets-are-back-on-physics-world-6.jpg" data-caption="परमाणु जा रहे हैं अमेरिका का DRACO रॉकेट विखंडन रिएक्टर से निकलने वाली गर्मी का उपयोग अंतरिक्ष में ले जाने के लिए करेगा। (सौजन्य: लॉकहीड मार्टिन)">

1914 में एचजी वेल्स ने प्रकाशित किया विश्व सेट मुक्त, इस धारणा पर आधारित एक उपन्यास कि रेडियम एक दिन अंतरिक्ष यान को शक्ति प्रदान कर सकता है। वेल्स, जो अर्नेस्ट रदरफोर्ड जैसे भौतिकविदों के काम से परिचित थे, जानते थे कि रेडियम गर्मी पैदा कर सकता है और उन्होंने टरबाइन को चालू करने के लिए इसका उपयोग करने की परिकल्पना की थी। हो सकता है कि यह पुस्तक काल्पनिक कृति हो, लेकिन विश्व सेट मुक्त जिसे कोई "परमाणु अंतरिक्ष यान" कह सकता है, उसकी क्षमता का सही अनुमान लगाया।

अंतरिक्ष यात्रा के लिए परमाणु ऊर्जा का उपयोग करने का विचार 1950 के दशक में जोर पकड़ गया जब जनता - हिरोशिमा और नागासाकी की भयावहता को देखने के बाद - धीरे-धीरे शांतिपूर्ण उद्देश्यों के लिए परमाणु ऊर्जा की उपयोगिता के बारे में आश्वस्त हो गई। अमेरिका जैसे कार्यक्रमों को धन्यवाद शांति के लिए परमाणुओं, लोगों ने यह देखना शुरू कर दिया कि परमाणु ऊर्जा का उपयोग ऊर्जा और परिवहन के लिए किया जा सकता है। लेकिन शायद सबसे मौलिक अनुप्रयोग अंतरिक्ष उड़ान में था।

परमाणु-संचालित अंतरिक्ष यात्रा के सबसे मजबूत समर्थकों में से एक प्रख्यात गणितीय भौतिक विज्ञानी थे फ्रीमैन डायसन. 1958 में उन्होंने सैन डिएगो में जनरल एटॉमिक्स में ओरियन नामक प्रोजेक्ट कोड पर काम करने के लिए प्रिंसटन में इंस्टीट्यूट ऑफ एडवांस्ड स्टडी से एक साल का विश्राम लिया। टेड टेलर के दिमाग की उपज - एक भौतिक विज्ञानी जिन्होंने लास अलामोस में मैनहट्टन परमाणु-बम परियोजना पर काम किया था - परियोजना ओरियन इसका लक्ष्य 4000 टन का अंतरिक्ष यान बनाना था जिसे अंतरिक्ष में ले जाने के लिए 2600 परमाणु बमों का उपयोग किया जाएगा।

अंतरिक्ष यान के पीछे से परमाणु बम गिराना पर्यावरणीय आधार पर पागलपन जैसा लगता है, लेकिन डायसन ने गणना की कि "केवल" 0.1-1 अमेरिकी इस विधि से कैंसर का शिकार होंगे। इस परियोजना को रॉकेट विशेषज्ञ का भी समर्थन प्राप्त था Wernher वॉन ब्राउन, और गैर-परमाणु परीक्षण उड़ानों की एक श्रृंखला को अंजाम दिया गया। शुक्र है, 1963 आंशिक परीक्षण प्रतिबंध संधि प्रोजेक्ट ओरियन को समाप्त कर दिया, और बाद में डायसन ने अपने पर्यावरणीय खतरों को देर से पहचानने के बाद परमाणु अंतरिक्ष यान के लिए अपना समर्थन वापस ले लिया।

प्रोजेक्ट ओरियन के ख़त्म होने के बावजूद, परमाणु प्रणोदन का आकर्षण वास्तव में कभी ख़त्म नहीं हुआ (देखें बॉक्स "परमाणु अंतरिक्ष यात्रा: एक संक्षिप्त इतिहास") और अब पुनरुत्थान का आनंद ले रहा है। हालांकि, परमाणु बमों का उपयोग करने के बजाय, विचार परमाणु विखंडन रिएक्टर से ऊर्जा को एक प्रणोदक ईंधन में स्थानांतरित करने का है, जिसे लगभग 2500 K तक गर्म किया जाएगा और "परमाणु थर्मल प्रणोदन" (एनटीपी) नामक प्रक्रिया में नोजल के माध्यम से बाहर निकाला जाएगा। . वैकल्पिक रूप से, विखंडन ऊर्जा एक गैस को आयनित कर सकती है जिसे अंतरिक्ष यान के पीछे से निकाल दिया जाएगा - जिसे "परमाणु विद्युत प्रणोदन" (एनईपी) के रूप में जाना जाता है।

तो, क्या परमाणु-संचालित अंतरिक्ष यात्रा एक यथार्थवादी संभावना है और यदि हां, तो कौन सी तकनीक जीतेगी?

परमाणु बढ़ावा

अधिकांश पारंपरिक रॉकेट साधारण, रासायनिक ईंधन द्वारा संचालित होते हैं। शनि वी रॉकेट उदाहरण के लिए, 1960 के दशक के अंत और 1970 के दशक की शुरुआत में अंतरिक्ष यात्रियों को चंद्रमा पर ले जाने के लिए तरल ईंधन का उपयोग किया गया था, जबकि रॉकेट बूस्टर जो अंतरिक्ष शटल के प्रक्षेपण के दौरान इतने शानदार ढंग से विफल हो गए थे चैलेंजर 1986 में इसमें ठोस ईंधन शामिल था।

हाल ही में, स्पेस एक्स के फाल्कन रॉकेटउदाहरण के लिए, मिट्टी के तेल और ऑक्सीजन के मिश्रण का उपयोग किया है। समस्या यह है कि ऐसे सभी प्रणोदकों में अपेक्षाकृत कम "ऊर्जा घनत्व" (प्रति इकाई आयतन में संग्रहीत ऊर्जा) और कम "विशिष्ट आवेग" (वह दक्षता जिसके साथ वे जोर उत्पन्न कर सकते हैं) होती है। इसका मतलब यह है कि रॉकेट का समग्र जोर - निकास गैस के द्रव्यमान प्रवाह दर और पृथ्वी के गुरुत्वाकर्षण से गुणा किया गया विशिष्ट आवेग - कम है।

इसलिए रासायनिक प्रणोदक आपको केवल इतनी दूर तक ही ले जा सकते हैं, चंद्रमा पारंपरिक सीमा है। दूर के ग्रहों और अन्य "गहरे अंतरिक्ष" गंतव्यों तक पहुंचने के लिए, अंतरिक्ष यान आमतौर पर कई अलग-अलग ग्रहों के गुरुत्वाकर्षण खिंचाव का फायदा उठाते हैं। हालाँकि, ऐसी यात्राएँ घुमावदार होती हैं और इसमें लंबा समय लगता है। उदाहरण के लिए, नासा के जूनो मिशन की आवश्यकता है पांच साल बृहस्पति तक पहुँचने में, जबकि वायेजर यान को वहाँ तक पहुँचने में 30 वर्ष से अधिक का समय लगा सौरमंडल का किनारा. ऐसे मिशन संकीर्ण और दुर्लभ लॉन्च विंडो द्वारा भी प्रतिबंधित हैं।

इसके बजाय एक परमाणु अंतरिक्ष यान ईंधन को गर्म करने के लिए विखंडन ऊर्जा का उपयोग करेगा (चित्र 1) - सबसे अधिक संभावना क्रायोजेनिक रूप से संग्रहीत तरल हाइड्रोजन, जिसमें कम आणविक द्रव्यमान और दहन की उच्च गर्मी होती है। "परमाणु प्रणोदन, चाहे विद्युत हो या थर्मल, ईंधन के किसी दिए गए द्रव्यमान से दहन-आधारित प्रणोदन की तुलना में अधिक ऊर्जा निकाल सकता है," कहते हैं डेल थॉमस, नासा के मार्शल स्पेस फ़्लाइट सेंटर के पूर्व एसोसिएट डायरेक्टर, जो अब हंट्सविले में अलबामा विश्वविद्यालय में हैं।

थॉमस का कहना है कि आज की सबसे कुशल रासायनिक प्रणोदन प्रणालियाँ एक उपलब्धि हासिल कर सकती हैं विशिष्ट आवेग लगभग 465 सेकंड का. इसके विपरीत, एनटीपी में परमाणु प्रतिक्रियाओं की उच्च शक्ति घनत्व के कारण लगभग 900 सेकंड का विशिष्ट आवेग हो सकता है। बहुत अधिक थ्रस्ट-टू-वेट अनुपात के साथ, एनटीपी 500 के बजाय केवल 900 दिनों में मंगल ग्रह पर एक रॉकेट प्राप्त कर सकता है।

"थ्रस्ट-टू-वेट अनुपात महत्वपूर्ण है क्योंकि यह अंतरिक्ष यान की गति बढ़ाने की क्षमता को निर्धारित करता है, जो विशेष रूप से प्रमुख मिशन चरणों के दौरान महत्वपूर्ण है, जैसे पृथ्वी के गुरुत्वाकर्षण से बचना या गहरे अंतरिक्ष में पैंतरेबाज़ी करना," कहते हैं। मौरो ऑगेलीयूके स्पेस एजेंसी में लॉन्च सिस्टम के प्रमुख। "दूसरी ओर, विशिष्ट आवेग इस बात का माप है कि रॉकेट अपने प्रणोदक का कितनी प्रभावी ढंग से उपयोग करता है।"

परमाणु प्रणोदन, चाहे विद्युत हो या थर्मल, ईंधन के किसी दिए गए द्रव्यमान से दहन-आधारित प्रणोदन की तुलना में अधिक ऊर्जा निकाल सकता है

डेल थॉमस, हंट्सविले में अलबामा विश्वविद्यालय

अनिवार्य रूप से, प्रणोदक की एक निश्चित मात्रा के लिए, एक परमाणु-संचालित अंतरिक्ष यान तेजी से यात्रा कर सकता है और एक रासायनिक रॉकेट की तुलना में लंबे समय तक अपना जोर बनाए रख सकता है। इसलिए यह मंगल ग्रह पर चालक दल के मिशन के लिए बहुत अच्छा होगा - न केवल अंतरिक्ष यात्रियों की यात्रा तेज होगी, बल्कि इसके परिणामस्वरूप, वे कम ब्रह्मांडीय विकिरण के संपर्क में आएंगे। ऑगेली कहते हैं, "इसके अलावा, छोटी मिशन अवधियां साजो-सामान और जीवन-समर्थन चुनौतियों को कम करती हैं, जिससे गहरे अंतरिक्ष अन्वेषण अधिक व्यवहार्य और सुरक्षित हो जाता है।"

लेकिन परमाणु ऊर्जा का मतलब सिर्फ यात्रा के समय में कटौती करना नहीं है। नासा के पास भी है समर्पित कार्यक्रम अपने पर ग्लेन रिसर्च सेंटर क्लीवलैंड, ओहियो में, अंतरिक्ष यान को अपने गंतव्य तक पहुंचने के बाद ऊर्जा देने के लिए - सौर ऊर्जा या रासायनिक ईंधन के बजाय - परमाणु विखंडन का उपयोग करने के लिए। कार्यक्रम प्रबंधक का कहना है, "परमाणु ऊर्जा चरम वातावरण और अंतरिक्ष के क्षेत्रों में संचालन के लिए अद्वितीय लाभ प्रदान करती है जहां विस्तारित संचालन के लिए ऊर्जा स्रोतों के रूप में सौर और रासायनिक प्रणालियाँ या तो अपर्याप्त या असंभव हैं।" लिंडसे कलडन.

कार्रवाई में वापस

2020 में अमेरिकी सरकार ने परमाणु अंतरिक्ष यान को एजेंडे में मजबूती से वापस रखा लगभग $100 मिलियन का पुरस्कार तीन कंपनियों को - जनरल एटॉमिक्स, लॉकहीड मार्टिन और ब्लू ओरिजिन। वे इस पैसे का उपयोग काम करने के लिए करेंगे चुस्त सिस्लुनार संचालन के लिए प्रदर्शन रॉकेट (DRACO) कार्यक्रम, जिसे इसके माध्यम से वित्त पोषित किया जाता है DARPA अमेरिकी रक्षा विभाग की अनुसंधान एजेंसी। पहले चरण में, कंपनियों का लक्ष्य यह दिखाना होगा कि एनटीपी का उपयोग कम-पृथ्वी की कक्षा के ऊपर एक रॉकेट को उड़ाने के लिए किया जा सकता है, साथ ही डीएआरपीए का लक्ष्य मौजूदा रासायनिक रॉकेट प्रणालियों के बराबर थ्रस्ट-टू-वेट अनुपात बनाना है।

<a data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/nuclear-powered-spacecraft-why-dreams-of-atomic-rockets-are-back-on-physics-world-3.jpg" data-caption="मांग पर ऊर्जा इस तरह की विखंडन सतह विद्युत प्रणाली चंद्रमा और मंगल पर सुरक्षित, कुशल और विश्वसनीय विद्युत शक्ति प्रदान कर सकती है। (सौजन्य: NASA)” शीर्षक=”पॉपअप में छवि खोलने के लिए क्लिक करें” href=”https://platoblockchin.com/wp-content/uploads/2024/02/न्यूक्लियर-पावर्ड-स्पेसक्राफ्ट-व्हाई-ड्रीम्स-ऑफ-एटोमिक -रॉकेट्स-फिर से-भौतिकी-दुनिया-3.jpg"> पर वापस आ गए हैं

तबीथा डोडसनDRACO के DARPA कार्यक्रम प्रबंधक का मानना ​​है कि DRACO कार्यक्रम द्वारा परमाणु अंतरिक्ष रिएक्टर का सफल प्रक्षेपण और उड़ान अंतरिक्ष उड़ान में क्रांति ला देगी। "आज की रासायनिक प्रणालियों के विपरीत, जो एक सीमा तक पहुंच गई हैं कि वे कितनी दूर तक विकसित हो सकती हैं, परमाणु प्रौद्योगिकियों को संलयन और उससे आगे जैसी प्रणालियों तक विकसित करने का सिद्धांत दिया गया है," वह कहती हैं। "परमाणु रिएक्टरों द्वारा संचालित और संचालित होने के लिए विकसित अंतरिक्ष यान मानवता को किसी भी प्रकार के मिशन के लिए जीवित रहने और सफलता की उच्च संभावना के साथ आगे बढ़ने में सक्षम बनाएगा।"

DRACO कार्यक्रम में, जनरल एटॉमिक्स एनटीपी रिएक्टर को डिजाइन करेगा और एक प्रणोदन उपप्रणाली के लिए एक खाका तैयार करेगा, जबकि ब्लू ओरिजिन और लॉकहीड मार्टिन खुद अंतरिक्ष यान की योजना बनाएंगे। विखंडन रिएक्टर एक विशेष का उपयोग करेगा उच्च-परख निम्न-संवर्धित यूरेनियम (HALEU), जिसे मौजूदा परमाणु रिएक्टरों से पुनर्चक्रित ईंधन का उपयोग करके बनाया जा सकता है। इसमें केवल 20% संवर्धित यूरेनियम होने के कारण यह परमाणु हथियार में बदलने के लिए अनुपयुक्त है।

जब तक यान "परमाणु-सुरक्षित" कक्षा में नहीं पहुँच जाता तब तक रिएक्टर चालू नहीं किया जाएगा (यानी क्रिटिकल हो जाएगा)। आपातकाल की अप्रत्याशित स्थिति में, दूसरे शब्दों में, कोई भी संदूषण हानिरहित तरीके से अंतरिक्ष में फैल जाएगा। लॉकहीड मार्टिन पहले ही साथ जुड़ चुका है बीडब्ल्यूएक्स टेक्नोलॉजीज लिंचबर्ग, वर्जीनिया में, रिएक्टर विकसित करने और HALEU ईंधन का उत्पादन करने के लिए। BWX का कहना है कि एक DRACO रॉकेट लॉन्च किया जा सकता है जैसे ही 2027.

वायु-श्वास रॉकेट इंजन: अंतरिक्ष उड़ान का भविष्य

कहीं और, इडाहो राष्ट्रीय प्रयोगशाला के शोधकर्ता अमेरिका में नासा को परमाणु रॉकेट के लिए आवश्यक सामग्री विकसित करने और परीक्षण करने में मदद मिल रही है क्षणिक रिएक्टर परीक्षण इडाहो फॉल्स के पास (ट्रीट) सुविधा। उन्होंने कंप्यूटर मॉडल को मान्य करने और एक नए सेंसर और प्रयोग कैप्सूल का परीक्षण करने के लिए पिछले साल ही एक अभ्यास चलाया था। दीर्घकालिक, उद्देश्य यह पहचानना है कि एनटीपी रिएक्टर की अत्यधिक गर्म परिस्थितियों में कौन सी सामग्री, मिश्रित संरचनाएं और यूरेनियम यौगिक सबसे अच्छा काम करते हैं।

रिएक्टर से निकलने वाली गर्मी हाइड्रोजन ईंधन को गर्म कर देगी, जो वेग में सबसे बड़ा परिवर्तन प्रदान करती है - जिसे रॉकेट वैज्ञानिक Δ कहते हैंv - किसी दिए गए द्रव्यमान के लिए. हाइड्रोजन का नकारात्मक पक्ष यह है कि इसका घनत्व कम है और रॉकेट को बड़े टैंकों की आवश्यकता होगी। अन्य प्रणोदक, जैसे अमोनिया, का Δ कम होता हैv प्रति किलोग्राम प्रणोदक, लेकिन बहुत अधिक सघन होते हैं। हंट्सविले में, थॉमस ने दिखाया कि नासा के खगोलविदों को मंगल ग्रह तक ले जाने के लिए अमोनिया आदर्श ईंधन होगा। चंद्र द्वार - एक अंतरिक्ष स्टेशन जो चंद्रमा की परिक्रमा करेगा।

प्रकाशित हो चुकी है। एनटीपी प्रौद्योगिकी की समीक्षा 2020 में अमेरिकन इंस्टीट्यूट ऑफ एयरोनॉटिक्स एंड एस्ट्रोनॉटिक्स के लिए, थॉमस ने निष्कर्ष निकाला है कि नियमित एनटीपी सिस्टम, जो लगभग 50 मिनट की छोटी अवधि के लिए बहुत अधिक जोर देते हैं, फ्लाईबाई और मिलन मिशन के लिए आदर्श होंगे। लेकिन "द्वि-मोडल" प्रणालियाँ भी हैं, जो एनटीपी को एनईपी के साथ जोड़ती हैं (देखें बॉक्स "परमाणु विद्युत प्रणोदन की चुनौतियाँ")। पहला उच्च जोर का त्वरित विस्फोट देता है जबकि बाद वाला लंबी अवधि के लिए कम जोर देता है - लंबी, गोल-यात्रा मिशनों के लिए बिल्कुल सही।

केट हैगर्टी केलीबीडब्ल्यूएक्स टेक्नोलॉजीज में अंतरिक्ष और इंजीनियरिंग के निदेशक, का कहना है कि समग्र परमाणु तापीय प्रणोदन रासायनिक प्रणोदन प्रणालियों की तुलना में दो से पांच गुना अधिक कुशल हो सकता है, साथ ही उच्च जोर भी प्रदान करता है। "[इसके विपरीत], परमाणु विद्युत प्रणोदन प्रणालियाँ उच्च क्षमता प्रदान कर सकती हैं लेकिन कम जोर दे सकती हैं, और परमाणु विखंडन के माध्यम से उत्पन्न ऊर्जा को अंतरिक्ष यान पर उप-प्रणालियों को शक्ति प्रदान करने के लिए बिजली में परिवर्तित किया जा सकता है।"

तो क्या गहरे अंतरिक्ष अभियानों के लिए एनटीपी या एनईपी बेहतर होगा? थॉमस के मुताबिक यह मिशन के प्रकार पर निर्भर करेगा. “एक निश्चित वर्ग के मिशनों के लिए - जैसे कि एक निश्चित द्रव्यमान से ऊपर का वैज्ञानिक अंतरिक्ष यान - या चालक दल के मिशन, या कुछ गंतव्यों के लिए, एनटीपी सबसे अच्छा विकल्प होगा, जबकि अन्य मिशनों के लिए एनईपी सबसे अच्छा होगा। कार यात्रा की तरह, यह दूरी, आप कितना सामान ले जा रहे हैं, आपके शेड्यूल की मांग आदि पर निर्भर करता है।

परमाणु भविष्य

नासा पहले से ही कई परमाणु-संचालित अंतरिक्ष अभियानों पर विचार कर रहा है। के अनुसार जून 2021 में जारी एक रिपोर्ट, इनमें ऐसे यान शामिल हो सकते हैं जो यूरेनस और बृहस्पति के विभिन्न चंद्रमाओं की परिक्रमा करेंगे, और अन्य जो नेपच्यून के चंद्रमा ट्राइटन की परिक्रमा करेंगे और उस पर उतरेंगे। रिपोर्ट में एक परमाणु-संचालित रॉकेट के सूर्य के चारों ओर ध्रुवीय कक्षा में प्रवेश करने और संभवतः अंतरतारकीय अंतरिक्ष में एक मिशन की भी परिकल्पना की गई है।

अंतिम विश्लेषण में, किसी प्रकार का परमाणु प्रणोदन - या तो अकेले या किसी अन्य प्रकार के प्रणोदन के साथ संयुक्त - मानवता के भविष्य के अंतरिक्ष प्रयासों का एक महत्वपूर्ण हिस्सा होगा। नासा, यूके अंतरिक्ष एजेंसी और यूरोपीय अंतरिक्ष एजेंसी सभी परमाणु-संचालित अंतरिक्ष उड़ान पर विचार कर रहे हैं, मेरी शर्त है कि 2030 के दशक तक मंगल ग्रह पर पहले चालक दल मिशन, इस तकनीक के कुछ रूप का उपयोग करेंगे। मुझे यकीन है कि फ्रीमैन डायसन का सपना जल्द ही साकार हो सकता है।

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• स्रोत: https://physicsworld.com/a/nuclear-powered-spacecraft-why-dreams-of-atomic-rockets-are-back-on/