جوہری توانائی سے چلنے والا خلائی جہاز: کیوں جوہری راکٹوں کے خواب دوبارہ شروع ہو گئے ہیں - فزکس ورلڈ

<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="جوہری جا رہا ہے۔ امریکہ کا DRACO راکٹ فیشن ری ایکٹر سے حاصل ہونے والی حرارت کو خلا میں لے جانے کے لیے استعمال کرے گا۔ (بشکریہ: لاک ہیڈ مارٹن)”>

1914 میں HG ویلز شائع ہوا۔ دنیا آزاد ہے۔، ایک ناول اس تصور پر مبنی ہے کہ ریڈیم ایک دن اسپیس شپ کو طاقت دے سکتا ہے۔ ویلز، جو ارنسٹ ردرفورڈ جیسے طبیعیات دانوں کے کام سے واقف تھے، جانتے تھے کہ ریڈیم حرارت پیدا کر سکتا ہے اور اس کا تصور ٹربائن کو موڑنے کے لیے کیا جا رہا ہے۔ کتاب شاید افسانے کا کام ہو، لیکن دنیا آزاد ہے۔ صحیح طریقے سے اس کی صلاحیت کا اندازہ لگایا گیا جسے کوئی "ایٹمی خلائی جہاز" کہہ سکتا ہے۔

خلائی سفر کے لیے جوہری توانائی کے استعمال کے خیال نے 1950 کی دہائی میں زور پکڑا جب عوام - ہیروشیما اور ناگاساکی کی ہولناکیوں کا مشاہدہ کرنے کے بعد - آہستہ آہستہ پرامن مقاصد کے لیے جوہری توانائی کی افادیت کے قائل ہونے لگے۔ امریکہ جیسے پروگراموں کا شکریہ امن کے لئے ایٹملوگوں نے یہ دیکھنا شروع کیا کہ جوہری توانائی کو توانائی اور نقل و حمل کے لیے استعمال کیا جا سکتا ہے۔ لیکن شاید سب سے زیادہ بنیاد پرست ایپلی کیشن خلائی پرواز میں ہے۔

جوہری توانائی سے چلنے والے خلائی سفر کے سب سے مضبوط حامیوں میں ممتاز ریاضیاتی طبیعیات دان تھے۔ Freeman Dyson. 1958 میں اس نے پرنسٹن کے انسٹی ٹیوٹ آف ایڈوانسڈ اسٹڈی سے سان ڈیاگو میں جنرل ایٹمکس میں اورین نامی پروجیکٹ پر کام کرنے کے لیے ایک سال کی چھٹی لی۔ ٹیڈ ٹیلر کی ذہن سازی - ایک ماہر طبیعیات جس نے لاس الاموس میں مین ہٹن ایٹم بم پروجیکٹ پر کام کیا تھا - پروجیکٹ ورین جس کا مقصد 4000 ٹن وزنی خلائی جہاز بنانا ہے جو خلا میں لے جانے کے لیے 2600 ایٹمی بم استعمال کرے گا۔

خلائی جہاز کے پچھلے حصے سے ایٹم بم گرانا ماحولیاتی بنیادوں پر پاگل لگتا ہے، لیکن ڈائیسن نے حساب لگایا کہ "صرف" 0.1–1 امریکی اس طریقے سے کینسر کا شکار ہوں گے۔ اس منصوبے کو راکٹ ماہر کی حمایت حاصل تھی۔ Wernher کا وون براؤن، اور غیر جوہری آزمائشی پروازوں کا ایک سلسلہ انجام دیا گیا۔ شکر ہے، 1963 کا جزوی ٹیسٹ پابندی کا معاہدہ پروجیکٹ اورین کو ختم کر دیا، اور ڈائیسن نے خود بعد میں جوہری خلائی جہاز کے لیے اپنی حمایت واپس لے لی جب کہ تاخیر سے ان کے ماحولیاتی خطرات کو تسلیم کر لیا۔

پروجیکٹ اورین کے ختم ہونے کے باوجود، جوہری پروپلشن کا لالچ واقعی کبھی دور نہیں ہوا (دیکھیں باکس "جوہری خلائی سفر: ایک مختصر تاریخ") اور اب وہ دوبارہ زندہ ہونے سے لطف اندوز ہو رہا ہے۔ ایٹم بم استعمال کرنے کے بجائے، تاہم، خیال یہ ہے کہ نیوکلیئر فِشن ری ایکٹر سے توانائی کو پروپیلنٹ فیول میں منتقل کیا جائے، جسے تقریباً 2500 K تک گرم کیا جائے گا اور اسے "نیوکلیئر تھرمل پروپلشن" (NTP) نامی عمل میں نوزل ​​کے ذریعے نکالا جائے گا۔ . متبادل طور پر، فِشن انرجی ایک گیس کو آئنائز کر سکتی ہے جسے خلائی جہاز کے پچھلے حصے سے نکالا جائے گا - جسے "نیوکلیئر الیکٹرک پروپلشن" (NEP) کہا جاتا ہے۔

تو، کیا جوہری طاقت سے چلنے والا خلائی سفر ایک حقیقت پسندانہ امکان ہے اور، اگر ایسا ہے تو، کون سی ٹیکنالوجی جیت جائے گی؟

جوہری فروغ

زیادہ تر روایتی راکٹ عام، کیمیائی ایندھن سے چلتے ہیں۔ دی زحل وی راکٹ۔ جو 1960 کی دہائی کے آخر اور 1970 کی دہائی کے اوائل میں خلابازوں کو چاند پر لے گیا، مثال کے طور پر، مائع ایندھن کا استعمال کیا گیا، جبکہ راکٹ بوسٹر جو خلائی شٹل کے آغاز کے دوران اتنے شاندار طور پر ناکام ہو گئے۔ چیلنجر 1986 میں ٹھوس ایندھن پر مشتمل تھا۔

زیادہ حال ہی میں، اسپیس ایکس کے فالکن راکٹمثال کے طور پر، مٹی کے تیل اور آکسیجن کا مرکب استعمال کیا ہے۔ پریشانی کی بات یہ ہے کہ ایسے تمام پروپیلنٹ میں نسبتاً چھوٹی "توانائی کی کثافت" (فی یونٹ والیوم میں ذخیرہ شدہ توانائی) اور کم "مخصوص امپلس" (وہ کارکردگی جس سے وہ زور پیدا کر سکتے ہیں) ہوتے ہیں۔ اس کا مطلب ہے کہ راکٹ کا مجموعی زور - اخراج گیس کے بڑے پیمانے پر بہاؤ کی شرح اور زمین کی کشش ثقل سے ضرب کردہ مخصوص تحریک - کم ہے۔

اس لیے کیمیکل پروپیلنٹ صرف آپ کو حاصل کر سکتے ہیں، چاند کی روایتی حد ہونے کے ساتھ۔ دور دراز سیاروں اور دیگر "گہری جگہ" کی منزلوں تک پہنچنے کے لیے، خلائی جہاز عام طور پر متعدد مختلف سیاروں کی کشش ثقل کا فائدہ اٹھاتے ہیں۔ تاہم، اس طرح کے سفر چکر دار ہوتے ہیں اور کافی وقت لگتے ہیں۔ مثال کے طور پر ناسا کے جونو مشن کی ضرورت ہے۔ پانچ سال مشتری تک پہنچنے کے لیے، جب کہ وائجر کرافٹ کو اس تک پہنچنے میں 30 سال سے زیادہ کا عرصہ لگا نظام شمسی کے کنارے. اس طرح کے مشن کو تنگ اور کبھی کبھار لانچ ونڈوز کے ذریعے بھی محدود کیا جاتا ہے۔

ایک جوہری خلائی جہاز ایندھن کو گرم کرنے کے لیے فیوژن انرجی کا استعمال کرے گا (شکل 1) - زیادہ تر ممکنہ طور پر کرائیوجینک طور پر ذخیرہ شدہ مائع ہائیڈروجن، جس میں کم مالیکیولر ماس اور دہن کی زیادہ حرارت ہوتی ہے۔ "جوہری پروپلشن، یا تو برقی یا تھرمل، دہن پر مبنی پروپلشن کے ذریعے ممکنہ ایندھن سے زیادہ توانائی نکال سکتا ہے،" کہتے ہیں۔ ڈیل تھامسNASA کے مارشل اسپیس فلائٹ سینٹر کے سابق ایسوسی ایٹ ڈائریکٹر، اب ہنٹس ول میں الاباما یونیورسٹی میں۔

تھامس کا کہنا ہے کہ آج کے سب سے زیادہ موثر کیمیکل پروپلشن سسٹم ایک حاصل کر سکتے ہیں۔ مخصوص تحریک تقریباً 465 سیکنڈز۔ این ٹی پی، اس کے برعکس، نیوکلیئر ری ایکشنز کی زیادہ طاقت کی کثافت کی وجہ سے تقریباً 900 سیکنڈ کا ایک مخصوص تسلسل حاصل کر سکتا ہے۔ بہت زیادہ زور سے وزن کے تناسب کے ساتھ مل کر، NTP 500 کے بجائے صرف 900 دنوں میں مریخ پر راکٹ حاصل کر سکتا ہے۔

"زور سے وزن کا تناسب بہت اہم ہے کیونکہ یہ خلائی جہاز کی تیز رفتاری کی صلاحیت کا تعین کرتا ہے، جو خاص طور پر اہم مشن کے مراحل کے دوران اہم ہوتا ہے، جیسے زمین کی کشش ثقل سے فرار ہونا یا گہری خلا میں چال چلنا،" کہتے ہیں۔ مورو اگیلی، یو کے اسپیس ایجنسی میں لانچ سسٹم کے سربراہ۔ "دوسری طرف، مخصوص تحریک اس بات کا ایک پیمانہ ہے کہ ایک راکٹ اپنے پروپیلنٹ کو کتنے مؤثر طریقے سے استعمال کرتا ہے۔"

نیوکلیئر پروپلشن، یا تو برقی یا تھرمل، دہن پر مبنی پروپلشن کے ذریعے ممکنہ ایندھن سے زیادہ توانائی نکال سکتا ہے۔

ڈیل تھامس، ہنٹس ول میں الاباما یونیورسٹی

بنیادی طور پر، پروپیلنٹ کی دی گئی مقدار کے لیے، جوہری توانائی سے چلنے والا خلائی جہاز کیمیکل راکٹ کے مقابلے میں زیادہ تیزی سے سفر کر سکتا ہے اور اپنے زور کو زیادہ دیر تک برقرار رکھ سکتا ہے۔ اس لیے یہ مریخ پر جانے والے عملے کے مشن کے لیے بہت اچھا ہو گا - نہ صرف خلابازوں کا سفر تیز تر ہوگا، بلکہ اس کے نتیجے میں، وہ کم کائناتی تابکاری کا شکار ہوں گے۔ "مزید برآں، مشن کا مختصر دورانیہ لاجسٹک اور لائف سپورٹ چیلنجز کو کم کرتا ہے، جس سے گہری جگہ کی تلاش زیادہ ممکن اور محفوظ ہو جاتی ہے،" اگیلی نے مزید کہا۔

لیکن ایٹمی طاقت صرف سفر کے اوقات کو کم کرنے کے بارے میں نہیں ہے۔ ناسا نے بھی اے وقف پروگرام اس میں گلین ریسرچ سینٹر کلیولینڈ، اوہائیو میں، خلائی جہاز کو اپنی منزل تک پہنچنے کے بعد بجلی فراہم کرنے کے لیے - شمسی توانائی یا کیمیائی ایندھن کے بجائے - نیوکلیئر فیوژن کا استعمال کرنا۔ پروگرام مینیجر کا کہنا ہے کہ "جوہری توانائی انتہائی ماحول اور خلا میں ایسے خطوں میں کام کرنے کے لیے منفرد فوائد فراہم کرتی ہے جہاں شمسی اور کیمیائی نظام یا تو ناکافی ہیں یا توسیعی آپریشن کے لیے طاقت کے ذرائع کے طور پر ناممکن ہیں"۔ لنڈسے کالڈن.

کارروائی میں واپس

2020 میں امریکی حکومت نے جوہری خلائی جہاز کو مضبوطی سے ایجنڈے پر واپس رکھا تقریباً 100 ملین ڈالر کا انعام تین فرموں کو – جنرل اٹامکس، لاک ہیڈ مارٹن اور بلیو اوریجن۔ وہ رقم کو کام کرنے کے لیے استعمال کریں گے۔ Agile Cislunar آپریشنز کے لیے ڈیموسٹریشن راکٹ (DRACO) پروگرام، جس کے ذریعے مالی اعانت فراہم کی جاتی ہے۔ DARPA امریکی محکمہ دفاع کی تحقیقی ایجنسی۔ پہلے مرحلے میںکمپنیوں کا مقصد یہ ظاہر کرنا ہے کہ NTP کو زمین کے کم مدار سے اوپر راکٹ اڑانے کے لیے استعمال کیا جا سکتا ہے، DARPA کا مقصد موجودہ کیمیکل راکٹ سسٹمز کے مساوی زور سے وزن کے تناسب کے لیے ہے۔

<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="طلب پر توانائی اس طرح کا فیوژن سطحی بجلی کا نظام چاند اور مریخ پر محفوظ، موثر اور قابل اعتماد برقی طاقت فراہم کر سکتا ہے۔ (بشکریہ: NASA)” عنوان=”پاپ اپ میں تصویر کھولنے کے لیے کلک کریں” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/nuclear-powered-spacecraft-why-dreams-of-atomic -rockets-are-back-on-physics-world-3.jpg">

تبیتھا ڈوڈسن, DARPA پروگرام مینیجر برائے DRACO کا خیال ہے کہ DRACO پروگرام کے ذریعے ایٹمی خلائی ری ایکٹر کی کامیاب لانچنگ اور پرواز خلائی پرواز میں انقلاب برپا کر دے گی۔ "آج کے کیمیائی نظاموں کے برعکس، جو اس حد تک پہنچ چکے ہیں کہ وہ کس حد تک ترقی کر سکتے ہیں، جوہری ٹیکنالوجیز کو فیوژن اور اس سے آگے کے نظاموں میں ارتقا کے لیے نظریہ بنایا گیا ہے،" وہ کہتی ہیں۔ "خلائی جہاز جوہری ری ایکٹروں کے ذریعے تیار کیا گیا ہے اور انسانیت کو دور تک جانے کے قابل بنائے گا، کسی بھی قسم کے مشن کے لیے بقا اور کامیابی کے زیادہ امکانات کے ساتھ۔"

DRACO پروگرام میں، جنرل ایٹمکس NTP ری ایکٹر کو ڈیزائن کرے گا اور پروپلشن سب سسٹم کے لیے ایک بلیو پرنٹ تیار کرے گا، جب کہ بلیو اوریجن اور لاک ہیڈ مارٹن خود خلائی جہاز کی منصوبہ بندی کریں گے۔ فیشن ری ایکٹر ایک خاص استعمال کرے گا۔ اعلی پرکھ کم افزودہ یورینیم (HALEU)، جسے موجودہ جوہری ری ایکٹروں سے ری سائیکل شدہ ایندھن کا استعمال کرتے ہوئے بنایا جا سکتا ہے۔ صرف 20 فیصد افزودہ یورینیم پر مشتمل ہے، یہ جوہری ہتھیاروں میں تبدیل ہونے کے لیے موزوں نہیں ہے۔

ری ایکٹر کو اس وقت تک آن نہیں کیا جائے گا جب تک کہ کرافٹ "جوہری محفوظ" مدار میں نہ پہنچ جائے۔ ہنگامی صورت حال کی غیر امکانی صورت میں، کوئی بھی آلودگی، دوسرے لفظوں میں، بے ضرر طریقے سے خلا میں پھیل جائے گی۔ لاک ہیڈ مارٹن پہلے ہی اس کے ساتھ افواج میں شامل ہو چکا ہے۔ BWX ٹیکنالوجیز لنچبرگ، ورجینیا، ری ایکٹر کو تیار کرنے اور HALEU ایندھن تیار کرنے کے لیے۔ BWX کا کہنا ہے کہ ایک DRACO راکٹ لانچ کر سکتا ہے۔ جیسے ہی 2027.

ہوا میں سانس لینے والے راکٹ انجن: خلائی پرواز کا مستقبل

دوسری جگہ، ایڈاہو نیشنل لیبارٹری کے محققین امریکہ میں ناسا کو جوہری راکٹ کے لیے درکار مواد کی تیاری اور جانچ میں مدد فراہم کی جا رہی ہے۔ عارضی ری ایکٹر ٹیسٹ Idaho Falls کے قریب (TREAT) کی سہولت۔ انہوں نے کمپیوٹر ماڈلز کی توثیق کرنے اور ایک نئے سینسر اور تجرباتی کیپسول کی جانچ کرنے کے لیے پچھلے سال پہلے ہی ایک مشق کی تھی۔ طویل مدتی، مقصد یہ معلوم کرنا ہے کہ کون سے مواد، جامع ڈھانچے اور یورینیم کے مرکبات NTP ری ایکٹر کے انتہائی گرم حالات میں بہترین کام کرتے ہیں۔

ری ایکٹر سے گرمی ہائیڈروجن ایندھن کو گرم کرے گی، جو رفتار میں سب سے بڑی تبدیلی فراہم کرتی ہے - جسے راکٹ سائنسدان کہتے ہیں Δv - دیے گئے بڑے پیمانے پر۔ ہائیڈروجن کا منفی پہلو یہ ہے کہ اس کی کثافت کم ہے اور راکٹ کو بڑے ٹینکوں کی ضرورت ہوگی۔ دوسرے پروپیلنٹ، جیسے امونیا، میں Δ کم ہوتا ہے۔v پروپیلنٹ کے فی کلو گرام، لیکن بہت زیادہ گھنے ہیں. Huntsville میں، تھامس نے دکھایا ہے کہ امونیا ناسا کے ماہرین فلکیات کو مریخ تک پہنچانے کے لیے مثالی ایندھن ہوگا۔ قمری گیٹ وے ۔ - ایک خلائی اسٹیشن جو چاند کے گرد چکر لگائے گا۔

شائع کر کے NTP ٹیکنالوجی کا جائزہ 2020 میں امریکن انسٹی ٹیوٹ آف ایروناٹکس اینڈ ایسٹروناٹکس کے لیے، تھامس نے یہ نتیجہ اخذ کیا ہے کہ باقاعدہ این ٹی پی سسٹمز، جو تقریباً 50 منٹ کے مختصر جلنے کے لیے بہت زیادہ زور دیتے ہیں، فلائی بائی اور ملاقات کے مشن کے لیے مثالی ہوں گے۔ لیکن "بائی موڈل" سسٹم بھی ہیں، جو NTP کو NEP کے ساتھ جوڑتے ہیں (دیکھیں باکس "جوہری الیکٹرک پروپلشن کے چیلنجز")۔ پہلے والا تیز رفتاری سے زیادہ زور دیتا ہے جبکہ دوسرا طویل عرصے تک کم زور دیتا ہے - طویل، راؤنڈ ٹرپ مشنوں کے لیے بہترین۔

کیٹ ہیگرٹی کیلیBWX ٹیکنالوجیز میں خلائی اور انجینئرنگ کے ڈائریکٹر کا کہنا ہے کہ مجموعی طور پر نیوکلیئر تھرمل پروپلشن کیمیکل پروپلشن سسٹمز کے مقابلے میں دو سے پانچ گنا زیادہ موثر ہو سکتا ہے جبکہ ہائی تھرسٹ بھی پیش کرتا ہے۔ "[اس کے برعکس]، نیوکلیئر الیکٹرک پروپلشن سسٹم زیادہ افادیت فراہم کر سکتے ہیں لیکن کم زور دے سکتے ہیں، اور جوہری فِشن کے ذریعے پیدا ہونے والی توانائی کو بجلی میں تبدیل کیا جا سکتا ہے تاکہ خلائی جہاز پر موجود ذیلی نظاموں کو بجلی فراہم کی جا سکے۔"

تو کیا NTP یا NEP گہری خلائی کارروائیوں کے لیے بہتر ہوں گے؟ تھامس کے مطابق اس کا انحصار مشن کی قسم پر ہوگا۔ "کسی مخصوص طبقے کے مشنوں کے لیے - جیسے کہ ایک خاص بڑے پیمانے پر سائنسی خلائی جہاز - یا عملے کے مشنز، یا مخصوص منزلوں کے لیے، NTP بہترین انتخاب ہوگا، جب کہ دیگر مشنوں کے لیے NEP بہترین ہوگا۔ کار کے سفر کی طرح، یہ فاصلے، آپ کتنا سامان لے کر جا رہے ہیں، آپ کے شیڈول کے تقاضے وغیرہ پر منحصر ہے۔

جوہری مستقبل

ناسا پہلے ہی کئی جوہری توانائی سے چلنے والے خلائی مشنوں پر غور کر رہا ہے۔ کے مطابق جون 2021 میں جاری کردہ ایک رپورٹ، ان میں وہ دستکاری شامل ہوسکتی ہے جو یورینس اور مشتری کے مختلف چاندوں کا چکر لگائے گی، اور دوسرے جو نیپچون کے چاند ٹرائٹن پر چکر لگا کر اتریں گے۔ رپورٹ میں جوہری توانائی سے چلنے والا راکٹ سورج کے گرد قطبی مدار میں داخل ہونے اور ممکنہ طور پر انٹر اسٹیلر خلا میں بھی ایک مشن کا تصور کیا گیا ہے۔

حتمی تجزیے میں، کسی قسم کا جوہری پروپلشن - یا تو اکیلے یا کسی اور قسم کے پروپلشن کے ساتھ مل کر - انسانیت کی مستقبل کی خلائی کوششوں کا ایک اہم حصہ ہوگا۔ NASA، یو کے اسپیس ایجنسی اور یورپی اسپیس ایجنسی کے ساتھ جوہری توانائی سے چلنے والی خلائی پرواز کو دیکھ رہے ہیں، میری شرط یہ ہے کہ مریخ پر جانے والے پہلے عملے کے مشن، 2030 کی دہائی تک، اس ٹیکنالوجی کی کسی نہ کسی شکل کا استعمال کریں گے۔ فری مین ڈائیسن کا خواب، مجھے یقین ہے، جلد ہی دن کی روشنی دیکھ سکتا ہے۔

• SEO سے چلنے والا مواد اور PR کی تقسیم۔ آج ہی بڑھا دیں۔
• پلیٹو ڈیٹا ڈاٹ نیٹ ورک ورٹیکل جنریٹو اے آئی۔ اپنے آپ کو بااختیار بنائیں۔ یہاں تک رسائی حاصل کریں۔
• پلیٹوآئ اسٹریم۔ ویب 3 انٹیلی جنس۔ علم میں اضافہ۔ یہاں تک رسائی حاصل کریں۔
• پلیٹو ای ایس جی۔ کاربن، کلین ٹیک، توانائی ، ماحولیات، شمسی، ویسٹ مینجمنٹ یہاں تک رسائی حاصل کریں۔
• پلیٹو ہیلتھ۔ بائیوٹیک اینڈ کلینیکل ٹرائلز انٹیلی جنس۔ یہاں تک رسائی حاصل کریں۔
• ماخذ: https://physicsworld.com/a/nuclear-powered-spacecraft-why-dreams-of-atomic-rockets-are-back-on/