विषय सूची (Table of Content)
- सेमी-क्रायोजेनिक इंजन क्या है?
- परीक्षण का उद्देश्य
- LVM3 रॉकेट को मिलेगा बढ़ावा
- क्रायोजेनिक्स क्या है?
- क्रायोजेनिक तकनीक के अनुप्रयोग: रोजमर्रा की जिंदगी से लेकर अंतरिक्ष तक!
- क्रायोजेनिक इंजन क्या है?
- क्रायोजेनिक इंजन कैसे काम करता है?
- क्रायोजेनिक इंजन के फायदे
- क्रायोजेनिक तकनीक के नुक़सान
- भारत और क्रायोजेनिक तकनीक
- आगे की राह
2 मई 2024, भारतीय अंतरिक्ष अनुसंधान संगठन (इसरो) ने एक महत्वपूर्ण उपलब्धि हासिल करते हुए सेमी-क्रायोजेनिक इंजन का सफल परीक्षण किया। यह परीक्षण तमिलनाडु के महेंद्रगिरि में स्थित इसरो की प्रोपल्शन टेस्ट फैसिलिटी में किया गया था। इसमें सेमी-क्रायोजेनिक इंजन के लिए प्रीबर्नर इग्निशन का परीक्षण किया गया। ये इंजन इसरो के LVM3 रॉकेट की पेलोड कैपेसिटी को बढ़ाने में मदद करेगा
सेमी-क्रायोजेनिक इंजन क्या है? (What is semi-cryogenic engine?)
यह इंजन तरल ऑक्सीजन और तरल केरोसिन (परिष्कृत मिट्टी का तेल) का उपयोग करता है। तरल ऑक्सीजन ईंधन को जलाने के लिए आवश्यक ऑक्सीजन प्रदान करता है, जबकि तरल केरोसिन ईंधन के रूप में कार्य करता है। यह इंजन क्रायोजेनिक इंजनों की तुलना में कम जटिल और कम खर्चीला होता है, जो तरल हाइड्रोजन और तरल ऑक्सीजन का उपयोग करते हैं।
परीक्षण का उद्देश्य (purpose of testing)-
- विक्रम साराभाई अंतरिक्ष केंद्र (वीएसएससी) ने सेमी-क्रायोजेनिक इंजन के लिए स्टार्टअप ईंधन के रूप में एक खास मिश्रण विकसित किया है। इस मिश्रण में ट्राईएथिल एल्यूमिनिड और ट्राईएथिल बोरॉन शामिल हैं। इस तकनीक का इस्तेमाल 2000 किलो न्यूटन के सेमी-क्रायोजेनिक इंजन में पहली बार किया गया है।
- वीएसएससी के प्रोपल्शन रिसर्च लेबोरेटरी डिविजन (पीआरएलडी) में इंजन के इग्नाइटर (जलने की शुरुआत करने वाला यंत्र) की जांच के लिए कई परीक्षण किए गए। तरल ईंधन वाले रॉकेट इंजनों में इंजन को जलाना सबसे जटिल प्रक्रियाओं में से एक है। सेमी-क्रायोजेनिक इंजन के प्री-बर्नर (पूर्व दहन कक्ष) को सफलतापूर्वक जलाने के साथ ही इस इंजन के विकास में एक महत्वपूर्ण उपलब्धि हासिल कर ली गई है।
Image Credit- Dainik Bhaskar
LVM3 रॉकेट को मिलेगा बढ़ावा (LVM3 rocket will get a boost):
- इस सफलता के साथ, इसरो LVM3 रॉकेट की क्षमताओं को बढ़ाने के करीब एक कदम और बढ़ गया है। LVM3 वही रॉकेट है जिसका उपयोग भारत ने चंद्रयान-3 मिशन को सफलतापूर्वक लॉन्च करने के लिए किया था और यह आगामी चंद्रयान-4 मिशन में भी महत्वपूर्ण भूमिका निभाएगा।
- वर्तमान में LVM3 के दूसरे चरण में विकास इंजन का उपयोग किया जाता है, लेकिन सेमी-क्रायोजेनिक इंजन इसे बदल देगा, जिससे रॉकेट की पेलोड क्षमता में वृद्धि होगी।
क्रायोजेनिक्स क्या है? (what is cryogenics?)
क्रायोजेनिक्स अत्यधिक कम तापमान पर पदार्थों के व्यवहार और उत्पादन का अध्ययन है। यह तापमान इतना कम होता है कि -150 डिग्री सेल्सियस से भी नीचे चला जाता है! इस विज्ञान का उपयोग अंतरिक्ष में भारी चीजों को उठाने और उन्हें सही जगह पर रखने में मदद के लिए किया जाता है।
अमेरिका में शुरू हुआ क्रायोजेनिक्स:
19वीं सदी में वैज्ञानिकों के एक समूह ने सबसे पहले गैसों को बहुत कम तापमान पर तरल बनाने का प्रयोग किया था, यही क्रायोजेनिक्स की शुरुआत मानी जाती है। इसकी शुरुआत अमेरिका में हुई थी।
क्रायोजेनिक्स में किन गैसों का उपयोग होता है?
क्रायोजेनिक्स में जिन तरल पदार्थों का इस्तेमाल होता है, उनके उ沸ने का सामान्य तापमान -130°F से भी कम होता है। ये तरल पदार्थ असल में उद्योगों में सबसे ज्यादा इस्तेमाल होने वाली गैसें ही होती हैं, जिन्हें क्रायोजेनिक तापमान पर तरल अवस्था में रखा, ले जाया और संभाला जाता है। इन गैसों में नाइट्रोजन, हाइड्रोजन, ऑक्सीजन, हीलियम और आर्गन शामिल हैं।
क्रायोजेनिक डिब्बा: क्या होता है यह?
क्रायोजेनिक डिब्बा एक ऐसा बर्तन होता है जिसे विशेष रूप से क्रायोजेनिक पदार्थों को रखने के लिए बनाया जाता है। क्रायोजेनिक पदार्थ वो होते हैं जिनका तापमान बाकी पदार्थों से काफी कम होता है। यह डिब्बा अपनी बाहरी दीवारों और अंदर रखे गए तरल पदार्थ के बीच एक निर्वात (वैक्यूम) बनाता है। यह निर्वात ही इन्सुलेटर का काम करता है, यानी गर्मी को अंदर जाने से रोकता है। इसी वजह से क्रायोजेनिक पदार्थ डिब्बे के अंदर ठंडे रह पाते हैं।
क्रायोजेनिक तकनीक के अनुप्रयोग: रोजमर्रा की जिंदगी से लेकर अंतरिक्ष तक!
चिकित्सा और दवा उद्योग (Medical and pharmaceutical industry):
- दवाइयां, रक्त कोशिकाएं, स्टेम सेल्स और अंडाणियों को सुरक्षित रखने के लिए विशेष क्रायोजेनिक फ्रीजर का इस्तेमाल किया जाता है।
- क्रायोसर्जरी नामक प्रक्रिया में, असामान्य ऊतकों जैसे ट्यूमर या मस्सों को दूर करने के लिए अत्यधिक ठंड का उपयोग किया जाता है।
- एमआरआई स्कैनर में लगे चुंबक को ठंडा रखने के लिए क्रायोजेन (आमतौर पर हीलियम) गैस का इस्तेमाल किया जाता है।
खाद्य उद्योग (food industry):
- बेहतरीन गुणवत्ता वाले भोजन को लंबे समय तक सुरक्षित रखने के लिए क्रायोजेनिक प्रशीतन तकनीक सबसे कारगर साबित हुई है।
- तरल नाइट्रोजन वाले ट्रे का इस्तेमाल कर भोजन को बहुत तेजी से ठंडा किया जाता है।
अंतरिक्ष (space):
- अंतरिक्ष यानों और रॉकेटों को प्रक्षेपण के लिए तैयार करने में क्रायोजेनिक परीक्षण कक्ष का उपयोग किया जाता है।
- रॉकेट ईंधन के रूप में क्रायोजेनिक गैसों का उपयोग किया जाता है।
- अंतरिक्ष में अत्यधिक संवेदनशील माप लेने वाले उपकरणों को ठंडा रखने के लिए तरल हीलियम का उपयोग किया जाता है।
ऑटोमोबाइल उद्योग (automobile industry):
- इंजन के पुर्जों को जोड़ने के लिए क्रायोजेनिक तकनीक का इस्तेमाल किया जाता है।
- इस प्रक्रिया में, नाइट्रोजन गैस से ठंडा किया गया पुर्जा इंजन ब्लॉक में आसानी से चला जाता है।
- फिर जैसे ही तापमान वापस सामान्य होता है, पुर्जा अपने स्थान पर जकड़ जाता है।
Super-Conductor (अतिचालक):
- क्रायोजेनिक गैसों का उपयोग करके चुंबक को लगभग परम शून्य तापमान तक ठंडा करने पर अतिचालक बनाए जा सकते हैं। अतिचालक वे पदार्थ होते जिनमे विद्युत धारा बिना किसी अवरोध के चलती रहती है।
वैज्ञानिक अनुसंधान (scientific research):
- किसी अणु की रासायनिक संरचना को जानने के लिए नाभिकीय चुंबकीय अनुनाद (NMR) तकनीक में क्रायोजेनिक तकनीक का उपयोग किया जाता है।
- अंगों, ऊतकों और भ्रूणों को शोध के लिए सुरक्षित रखने के लिए क्रायोप्रेजर्वेशन तकनीक का उपयोग किया जाता है।
- भौतिक अनुसंधान में कण त्वरक और लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर आदि में अतिचालक चुंबकों का उपयोग किया जाता है।
ज्वलनशील गैसों का परिवहन:
- एलएनजी, एलपीजी जैसी गैसों को सिलेंडरों में क्रायोजेनिक तकनीक का उपयोग करके ले जाया जाता है।
क्रायोजेनिक इंजन क्या है? (What is a cryogenic engine?)
अंतरिक्ष यान के आखिरी चरण में लगने वाला इंजन, जिसे क्रायोजेनिक इंजन या क्रायोजेनिक स्टेज भी कहा जाता है, इसी तकनीक पर आधारित होता है। इस इंजन में ईंधन के रूप में तरल पदार्थ का इस्तेमाल किया जाता है, जिन्हें बेहद कम तापमान पर रखा जाता है। यही कारण है कि क्रायोजेनिक इंजन को बनाने और चलाने में ज्यादा जटिलता होती है, इसकी तुलना में ठोस या सामान्य तरल ईंधन वाले इंजन आसान होते हैं।
क्रायोजेनिक इंजन कैसे काम करता है?
यह इंजन तरल ऑक्सीजन (LOX) और तरल हाइड्रोजन (LH2) को ईंधन के रूप में इस्तेमाल करता है। ये दोनों पदार्थ क्रमशः -183 डिग्री सेल्सियस और -253 डिग्री सेल्सियस तापमान पर तरल अवस्था में होते हैं।
क्रायोजेनिक इंजन के मुख्य भाग:
- दहन कक्ष (जहां ईंधन जलता है)
- इग्नाइटर (जो इंजन को जलाता है)
- ईंधन इंजेक्टर (जो ईंधन को दहन कक्ष में पहुंचाता है)
- क्रायोजेनिक ईंधन पंप
- क्रायोजेनिक ऑक्सीडाइजर पंप
- गैस टरबाइन
- क्रायोजेनिक वाल्व
- नियंत्रक
- ईंधन टैंक
- रॉकेट इंजन नोजल
- ज्यादा ऊर्जा कम ईंधन में: तरल ऑक्सीजन और हाइड्रोजन जैसे ईंधन कम मात्रा में ही बहुत अधिक ऊर्जा देते हैं, जिससे अंतरिक्ष यान में ईंधन की मात्रा कम रखी जा सकती है।
- ज्यादा पेलोड ले जाने की क्षमता: क्रायोजेनिक ईंधन (तरल हाइड्रोजन और तरल ऑक्सीजन) जलाने से मिलने वाला थ्रस्ट (जो अंतरिक्ष यान को आगे बढ़ाता है) ज्यादा होता है। इससे अंतरिक्ष यान ज्यादा वजन का सामान अंतरिक्ष में ले जा सकता है।
- ज्यादा ईंधन भंडारण: कम तापमान पर तरल ईंधन का घनत्व (डेन्सिटी) ज्यादा होता है, इसलिए एक ही टैंक में ज्यादा मात्रा में ईंधन भरा जा सकता है।
- स्वचालित शीतलन: क्रायोजेनिक इंजन में ईंधन खुद ही इंजन को ठंडा रखने में मदद करता है, इसलिए अलग से शीतलन प्रणाली की जरूरत नहीं होती।
- स्वच्छ ईंधन: हाइड्रोजन और ऑक्सीजन स्वच्छ ईंधन हैं, जलने पर ये केवल पानी छोड़ते हैं। साथ ही गैर-विषैले और गैर-संक्षारक होते हैं।
- किफायती: हाइड्रोजन ईंधन और ऑक्सीजन ऑक्सीडाइजर के इस्तेमाल से इंजन चलाना किफायती होता है। प्रति किलोग्राम ईंधन में ज्यादा थ्रस्ट मिलने के कारण यह अन्य ईंधनों की तुलना में किफायती है।
इंजीनियरिंग संबंधी चुनौतियाँ (engineering challenges):
हाइड्रोजन तरल पदार्थ है, लेकिन घनत्व (डेन्सिटी) कम होता है। इस वजह से इसे इंजन में इस्तेमाल करने के लिए बहुत तेज गति से चलने वाले कई चरणों वाले पंप की जरूरत होती है। इतनी तेज गति से चलने वाले पंपों को बनाने के लिए जटिल आकार के यंत्रों को बहुत सावधानी से डिजाइन और तैयार करना होता है।
भंडारण की जटिलता (storage complexity):
अंतरिक्ष अन्वेषण के लिए तरल हाइड्रोजन और तरल ऑक्सीजन को ईंधन के रूप में इस्तेमाल किया जाता है। इन तरल पदार्थों को लंबे समय तक सुरक्षित रखना होता है। इसके लिए ऐसे विशेष डिब्बों की जरूरत होती है जो बहुत अच्छी तरह से इन्सुलेटेड हों ताकि बाहर का गर्म तापमान इन तरल पदार्थों को प्रभावित न कर सके।
संभावित खतरे (Potential dangers):
- क्रायोजेनिक तरल पदार्थों से कई तरह के खतरे हो सकते हैं, जैसे:
- आग लगना
- विस्फोट
- बहुत ज्यादा दबाव
- शरीर पर पड़ने से शीतदाह (frostbite)
- दम घुटना (asphyxiation)
- जहरीलापन (chemical toxicity) – कुछ क्रायोजेनिक पदार्थ जहरीले होते हैं
भारत और क्रायोजेनिक तकनीक (India and cryogenic technology):
1994 में, भारत सरकार ने क्रायोजेनिक अपर स्टेज (सीयूएस) परियोजना को औपचारिक रूप से मंजूरी दे दी। इसरो के वैज्ञानिकों ने वर्ष 2000 में पहला 7।5 टन का क्रायोजेनिक इंजन बनाया। आज भारत उन चुनिंदा छह देशों में से एक है, जिन्होंने अपने स्वदेशी क्रायोजेनिक इंजन विकसित किए हैं। इन देशों में अमेरिका, फ्रांस (यूरोपीय अंतरिक्ष एजेंसी), रूस, चीन और जापान शामिल हैं।
पहला परीक्षण और उड़ान (First test and flight):
- इसरो ने 2003 में अपने पहले क्रायोजेनिक इंजन का सफलतापूर्वक परीक्षण किया।
- इसरो द्वारा विकसित क्रायोजेनिक इंजन के साथ पहली सफल उड़ान वर्ष 2014 में हुई थी, जब इसरो ने जीएसएलवी-डीएफ रॉकेट को लॉन्च किया था।
CE-20: चंद्रयान -3 मिशन के लिए CE-20 क्रायोजेनिक इंजन का इस्तेमाल किया गया था। CE-20 गैस-जनरेटर चक्र वाला भारत का पहला क्रायोजेनिक इंजन होने के साथ ही साथ इसरो का अब तक का सबसे बड़ा क्रायोजेनिक इंजन भी है। इस इंजन को इसरो के तरल प्रणोदन प्रणाली केंद्र द्वारा विकसित किया गया था।
सेमी-क्रायोजेनिक इंजन (semi-cryogenic engine):
- 2023 में, इसरो ने सेमी-क्रायोजेनिक इंजन के एक मध्यवर्ती विन्यास पर पहला हॉट टेस्ट किया, जिसे पावर हेड टेस्ट आर्टिकल (पीएचटीए) के नाम से जाना जाता है।
- तरल हाइड्रोजन की जगह सेमी-क्रायोजेनिक इंजन में परिष्कृत मिट्टी के तेल (refined kerosene) का उपयोग किया जाता है। लेकिन ऑक्सीकरण के लिए तरल ऑक्सीजन का ही इस्तेमाल होता है।
- इसका फायदा यह है कि रिफाइंड मिट्टी का तेल तरल हाइड्रोजन से हल्का होता है और इसे सामान्य तापमान पर भी रखा जा सकता है।
एकीकृत क्रायोजेनिक इंजन निर्माण सुविधा (ICMF):
- हिंदुस्तान एरोनॉटिक्स लिमिटेड (HAL) द्वारा स्थापित ICMF का लक्ष्य भारतीय अंतरिक्ष कार्यक्रम के लिए आवश्यक क्रायोजेनिक और सेमी-क्रायोजेनिक इंजनों का उत्पादन करना है।
- ICMF एक ही स्थान पर इन इंजनों के निर्माण और संयोजन प्रक्रियाओं को एक साथ लाता है।
भारत के लिए क्रायोजेनिक तकनीक का महत्व: अंतरिक्ष कार्यक्रम में आत्मनिर्भरता की राह
क्रायोजेनिक तकनीक ने भारत के अंतरिक्ष कार्यक्रम में अहम भूमिका निभाई है और इसे वैश्विक अंतरिक्ष समुदाय में पूरी तरह से आत्मनिर्भर बना दिया है। अब भारत अपने भारी उपग्रहों को अंतरिक्ष में स्थापित करने के लिए किसी दूसरे देश पर निर्भर नहीं है।
- अधिक पेलोड क्षमता (greater payload capacity): क्रायोजेनिक इंजन इंजन दक्षता को दर्शाने वाले “स्पेसिफिक इम्पल्स” को बढ़ाते हैं, जिसके परिणामस्वरूप उपग्रहों को ले जाने की क्षमता (पेलोड क्षमता) बढ़ जाती है।
- मानव अंतरिक्ष अभियान (human space mission): क्रायोजेनिक तकनीक की वजह से भविष्य में इसरो के रॉकेटों को मानव अंतरिक्ष उड़ानों के लिए उन्नत किया जा सकता है। जब जीएसएलवी को “मानव रेटेड” घोषित कर दिया जाएगा, अर्थात अंतरिक्ष यात्रियों को ले जाने के लिए उपयुक्त माना जाएगा, तब यह तकनीक और भी महत्वपूर्ण हो जाएगी।
आगे आने वाले समय में इंजन के मुख्य भाग और पूरे इंजन को मिलाकर परीक्षण किए जाएंगे। साथ ही 120 टन ईंधन ले जाने में सक्षम सेमी-क्रायोजेनिक चरण को विकसित करने का काम भी चल रहा है।
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