नया "वायु-चालित" उपग्रह इंजन सीधे पृथ्वी के वायुमंडल में ईंधन के रूप में प्रवेश कर सकता है, और भविष्य में अनिश्चित काल तक कक्षा में रह सकता है।

सार:

एक नया उपग्रह इंजन जो सीधे पृथ्वी के ऊपरी वायुमंडल को प्रणोदक के रूप में उपयोग कर सकता है, एयरोस्पेस उद्योग का ध्यान आकर्षित कर रहा है।

यह अवधारणा जर्मनी में स्टटगार्ट विश्वविद्यालय के शोधकर्ता फ्रांसेस्को रोमानो के डॉक्टरेट कार्य से आई है। मुख्य विचार वायुमंडलीय अणुओं को परिवर्तित करना है जो मूल रूप से उपग्रह को प्रणोदन प्रणाली के लिए ईंधन में धीमा कर देते हैं, जिससे उपग्रह के संचालन में बाधा डालने वाले कारकों को कक्षा को बनाए रखने के लिए आवश्यक शक्ति के स्रोत में बदल दिया जाता है।

अल्ट्रा-लो अर्थ ऑर्बिट क्षेत्र में, जो पृथ्वी से लगभग 100 किलोमीटर से 450 किलोमीटर दूर है, उपग्रह कई अद्वितीय लाभ प्राप्त कर सकते हैं। जमीन के करीब होने के कारण, रिमोट सेंसिंग उपकरण स्पष्ट तस्वीरें खींच सकते हैं, और संचार और रडार प्रणालियों को काफी कम बिजली की आवश्यकता होती है। साथ ही, इस क्षेत्र में वायुमंडलीय प्रतिरोध भी स्वाभाविक रूप से उपग्रह को वायुमंडल में वापस खींच सकता है और स्क्रैप किए जाने के बाद इसे जला सकता है, जिससे अंतरिक्ष मलबे के दीर्घकालिक संचय की समस्या कम हो जाती है।

हालाँकि, ये फायदे एक गंभीर खामी के साथ आते हैं।

सैकड़ों किलोमीटर की ऊंचाई पर भी, बचा हुआ वातावरण उपग्रहों को धीमा करना जारी रखेगा। यदि जोर की लगातार भरपाई नहीं की जाती है, तो उपग्रह की कक्षीय ऊंचाई धीरे-धीरे कम हो जाएगी और अंततः वायुमंडल में गिर जाएगी। इसलिए, वर्तमान में निचली कक्षाओं में काम कर रहे उपग्रह आमतौर पर नियमित कक्षा सुधार करने के लिए ऑनबोर्ड प्रणोदन प्रणालियों पर निर्भर होते हैं, और इन प्रणोदन प्रणालियों को सीमित ईंधन भंडार रखना चाहिए।

पारंपरिक विद्युत प्रणोदन प्रणालियाँ ज्यादातर क्सीनन जैसे महंगे प्रणोदक का उपयोग करती हैं। ईंधन समाप्त होने के बाद, उपग्रह का मिशन जीवन आमतौर पर समाप्त होने के लिए मजबूर किया जाता है, भले ही उपग्रह अभी भी बरकरार हो।

रोमानो द्वारा प्रस्तावित समाधान "वायुमंडलीय श्वास विद्युत प्रणोदन प्रणाली" से संबंधित है। पारंपरिक तरीकों के विपरीत, यह प्रणाली उड़ान के दौरान आने वाले पतले वातावरण को सीधे एकत्र करती है, गैस अणुओं को इंजन में पेश करती है, और फिर इन अणुओं को प्लाज्मा में परिवर्तित करने के लिए एक विद्युत क्षेत्र का उपयोग करती है, जिसे फिर प्रणोदन उत्पन्न करने के लिए पीछे की ओर फेंक दिया जाता है।

सैद्धांतिक रूप से, जब तक उपग्रह अवशिष्ट गैस के साथ कक्षीय ऊंचाई पर है, तब तक यह बड़ी मात्रा में अतिरिक्त ईंधन ले जाने के बिना प्रणोदक का स्रोत प्राप्त करना जारी रख सकता है।

हालाँकि, इस साधारण से दिखने वाले विचार को हकीकत में बदलना आसान नहीं है।

शोधकर्ताओं का कहना है कि अल्ट्रा-लो ऑर्बिट वातावरण में सबसे बड़ी चुनौतियों में से एक परमाणु ऑक्सीजन से आती है। ऊपरी वायुमंडल में, पराबैंगनी प्रकाश साधारण ऑक्सीजन को मोनोएटोमिक ऑक्सीजन में तोड़ देता है। इस पदार्थ में बेहद मजबूत ऑक्सीकरण क्षमता होती है और यह पारंपरिक आयन इंजनों में धातु इलेक्ट्रोड, त्वरित ग्रिड और कैथोड जैसे प्रमुख घटकों को जल्दी से नष्ट कर देगा।

विशेष रूप से, कैथोड प्रणाली, जो चार्ज को निष्क्रिय करने के लिए जिम्मेदार है, क्षति के प्रति सबसे अधिक संवेदनशील है। एक बार कैथोड विफल हो जाने पर, उपग्रह सामान्य रूप से आवेशित कणों को छोड़ने में सक्षम नहीं होगा, और प्रणोदन प्रणाली भी अपना कार्य खो देगी।

इसके अलावा, ऊपरी वायुमंडल एक स्थिर वातावरण नहीं है। दिन और रात के बदलाव, सौर गतिविधि और कक्षीय स्थिति के साथ गैस घनत्व में उतार-चढ़ाव होता है, जो प्रणोदन प्रणाली डिजाइन की कठिनाई को और बढ़ाता है।

इन समस्याओं से निपटने के लिए, रोमानो ने एक नए प्रकार का रेडियो फ़्रीक्वेंसी सर्पिल वेव प्लाज़्मा थ्रस्टर डिज़ाइन किया। पारंपरिक आयन इंजनों की तुलना में, यह डिज़ाइन न्यूट्रलाइज़र और कैथोड सिस्टम पर निर्भर नहीं करता है जो संक्षारण के लिए अतिसंवेदनशील होते हैं, और अर्ध-तटस्थ प्लाज्मा जेट उत्पन्न करके प्रणोदन कार्यों को प्राप्त करते हैं जिसमें सकारात्मक और नकारात्मक दोनों आयन होते हैं।

अनुसंधान टीम ने विशेष वायुमंडलीय संग्रह संरचनाएं भी विकसित कीं। सबसे प्रभावी एक परवलयिक दर्पण संरचना वाला वायु सेवन उपकरण है। प्रयोगों में, यह डिज़ाइन आने वाले गैस अणुओं के लगभग 94.3% को पकड़ने में सक्षम था। भले ही उपग्रह रवैया कुछ हद तक विचलित हो, संग्रह दक्षता में गिरावट अपेक्षाकृत सीमित है।

थ्रस्टर का मुख्य भाग चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग उपकरण में "बर्डकेज एंटीना" के समान एक संरचनात्मक डिजाइन को अपनाता है। परीक्षण के नतीजे बताते हैं कि यह समाधान लगभग 99% रेडियो फ्रीक्वेंसी ऊर्जा को थ्रस्टर में संचारित कर सकता है, जो पारंपरिक कॉइल संरचना के कारण होने वाली ऊर्जा हानि को काफी कम करता है।

प्रयोगशाला सिमुलेशन परिणाम बताते हैं कि स्थिर प्लाज्मा प्रवाह बनाने के लिए प्रणोदन प्रणाली को केवल 50 से 60 वाट बिजली की आवश्यकता होती है, और वास्तविक कक्षीय वातावरण में, निरंतर संचालन बनाए रखने के लिए आवश्यक शक्ति 1.6 किलोवाट से कम होने की उम्मीद है। शोधकर्ताओं का मानना ​​है कि इस मांग को साधारण सौर पैनलों से पूरी तरह से पूरा किया जा सकता है।

मॉडल गणना के अनुसार, यदि सिस्टम का प्रदर्शन अपेक्षाओं को पूरा करता है, तो उपग्रह पारंपरिक प्रणोदक को फिर से भरने की आवश्यकता के बिना लंबे समय तक लगभग 190 से 250 किलोमीटर की ऊंचाई पर एक कक्षा बनाए रख सकता है। इसका मतलब न केवल यह है कि मिशन का जीवन काफी बढ़ाया जा सकता है, बल्कि लॉन्च की गुणवत्ता और मिशन लागत भी कम की जा सकती है।

शोधकर्ताओं ने इस बात पर जोर दिया कि यह तकनीक अभी भी प्रायोगिक सत्यापन और सैद्धांतिक मॉडलिंग चरण में है और अभी तक वास्तविक अंतरिक्ष मिशनों द्वारा इसका परीक्षण नहीं किया गया है। इसकी दीर्घकालिक विश्वसनीयता, कक्षीय पर्यावरण अनुकूलनशीलता और वास्तविक प्रणोदन दक्षता को अभी भी और सत्यापित करने की आवश्यकता है।

इसके बावजूद, उद्योग आम तौर पर मानता है कि वायुमंडलीय श्वसन प्रणोदन प्रणाली अल्ट्रा-लो ऑर्बिट उपग्रहों के विकास के लिए एक महत्वपूर्ण दिशा का प्रतिनिधित्व करती है। यदि भविष्य में सफलतापूर्वक तैनात किया जाता है, तो पृथ्वी अवलोकन उपग्रहों, संचार उपग्रहों और यहां तक ​​कि अन्य ग्रह जांचों की अगली पीढ़ी को संचालन बनाए रखने के लिए आसपास के वातावरण में प्राकृतिक गैस पर निर्भर रहने की उम्मीद है, जिससे पारंपरिक प्रणोदकों पर निर्भरता से छुटकारा मिलेगा।