ग्रिडयुक्त आयन थ्रस्टर

ग्रिडेड [[आयन थ्रस्टर]], आयन थ्रस्टर्स के लिए एक सामान्य डिज़ाइन है, जो इलेक्ट्रोस्टैटिक बलों के साथ आयनों को तेज करने के लिए उच्च-वोल्टेज ग्रिड इलेक्ट्रोड का उपयोग करके विद्युत शक्ति पर चलने वाली एक अत्यधिक कुशल कम-जोर अंतरिक्ष यान प्रणोदन विधि है।

इतिहास
आयन इंजन का प्रदर्शन सबसे पहले जर्मनी में जन्मे नासा वैज्ञानिक अर्नेस्ट स्टुहलिंगर ने किया था, और 1957 से 1960 के दशक की शुरुआत तक नासा ग्लेन रिसर्च सेंटर (अब ग्लेन) रिसर्च सेंटर में हेरोल्ड आर. कॉफ़मैन द्वारा व्यावहारिक रूप में विकसित किया गया।

आयन प्रणोदन प्रणालियों के उपयोग को पहली बार नासा लुईस SERT-1|स्पेस इलेक्ट्रिक रॉकेट टेस्ट (SERT) I और II द्वारा अंतरिक्ष में प्रदर्शित किया गया था। इन थ्रस्टर्स ने प्रतिक्रिया द्रव्यमान के रूप में पारा का उपयोग किया। पहला SERT-1 था, जिसे 20 जुलाई, 1964 को लॉन्च किया गया था, जिसने सफलतापूर्वक साबित कर दिया कि तकनीक अंतरिक्ष में भविष्यवाणी के अनुसार काम करती है। दूसरा परीक्षण, SERT-II, 3 फरवरी, 1970 को लॉन्च किया गया। हजारों चलने वाले घंटों के लिए दो पारा आयन इंजनों के संचालन का सत्यापन किया। हालाँकि, 1960 और 70 के दशक में प्रदर्शन के बावजूद, 1990 के दशक के अंत से पहले उनका उपयोग शायद ही कभी किया जाता था।

नासा ग्लेन ने 1980 के दशक के दौरान इलेक्ट्रोस्टैटिक ग्रिडेड आयन थ्रस्टर्स का विकास जारी रखा, नासा सौर प्रौद्योगिकी अनुप्रयोग रेडीनेस (एनएसटीएआर) इंजन का विकास किया, जिसका उपयोग गहन अंतरिक्ष 1 जांच पर सफलतापूर्वक किया गया था, जो प्राथमिक के रूप में विद्युत प्रणोदन का उपयोग करके एक इंटरप्लेनेटरी प्रक्षेपवक्र को उड़ाने वाला पहला मिशन था। प्रणोदन. बाद में इसने डॉन (अंतरिक्ष यान) क्षुद्रग्रह मिशन पर उड़ान भरी।

ह्यूजेस विमान (अब एल-3 ईटीआई) ने अपने जियोसिंक्रोनस उपग्रहों (100 से अधिक इंजन उड़ान भरने वाले) पर प्रदर्शन स्टेशन रखने के लिए एक्सआईपीएस (क्सीनन आयन प्रणोदन प्रणाली) विकसित किया है। नासा वर्तमान में है HiPEP नामक 20-50 किलोवाट्ट  इलेक्ट्रोस्टैटिक आयन थ्रस्टर पर काम कर रहा हूं जिसमें NSTAR की तुलना में उच्च दक्षता, विशिष्ट आवेग और लंबा जीवनकाल होगा।

2006 में, हवाई-जेट से चलनेवाला  ने एक प्रोटोटाइप NEXT (आयन थ्रस्टर) आयन थ्रस्टर का परीक्षण पूरा किया। 1970 के दशक की शुरुआत में, गिसेन विश्वविद्यालय और एरियनग्रुप में रेडियो-फ़्रीक्वेंसी आयन थ्रस्टर विकसित किए गए थे। RIT-10 इंजन यूरोपीय पुनर्प्राप्ति योग्य वाहक और ARTEMIS पर उड़ान भर रहे हैं। Qinetiq (यूके) ने T5 और T6 इंजन (कॉफमैन प्रकार) विकसित किए हैं, जिनका उपयोग GOCE मिशन (T5) और BepiColombo मिशन (T6) में किया गया है। जापान से, μ10, माइक्रोवेव का उपयोग करके, हायाबुसा मिशन पर उड़ान भरी।

2021 में, NEXT (आयन थ्रस्टर)|NEXT-C क्सीनन आयन थ्रस्टर लेकर डबल क्षुद्रग्रह पुनर्निर्देशन परीक्षण लॉन्च किया गया।

2021 में, मेरे जोर ने अपने NPT30 आयोडीन|NPT30-I2 आयोडीन आयन थ्रस्टर का उपयोग करके उपग्रह कक्षा में परिवर्तन की सूचना दी।

संचालन की विधि
प्रणोदक परमाणुओं को डिस्चार्ज कक्ष में इंजेक्ट किया जाता है और उन्हें आयनित किया जाता है, जिससे एक प्लाज्मा बनता है।

डिस्चार्ज चैम्बर के लिए इलेक्ट्रोस्टैटिक आयनों के उत्पादन के कई तरीके हैं:


 * इलेक्ट्रॉन गन और एनोड (एनएसटीएआर आयन इंजन, नेक्स्ट (आयन थ्रस्टर), टी5, टी6 थ्रस्टर्स) के बीच संभावित अंतर द्वारा इलेक्ट्रॉन बमबारी (कॉफमैन प्रकार)
 * आकाशवाणी आवृति (आरएफ) एक वैकल्पिक इलेक्ट्रोमैग्नेट द्वारा प्रेरित विद्युत क्षेत्र का दोलन, जिसके परिणामस्वरूप एक आत्मनिर्भर निर्वहन होता है और किसी भी कैथोड (आरआईटी 10, आरआईटी 22, μN-आरआईटी थ्रस्टर्स) को छोड़ देता है।
 * माइक्रोवेव हीटिंग (µ10, µ20)

इलेक्ट्रोस्टैटिक आयन उत्पादन विधि से संबंधित कैथोड और बिजली आपूर्ति आवश्यकताओं की आवश्यकता है। इलेक्ट्रॉन बमबारी थ्रस्टर्स को कम से कम कैथोड, एनोड और चैम्बर को बिजली की आपूर्ति की आवश्यकता होती है। आरएफ और माइक्रोवेव प्रकारों को आरएफ जनरेटर के लिए अतिरिक्त बिजली आपूर्ति की आवश्यकता होती है, लेकिन एनोड या कैथोड बिजली आपूर्ति की आवश्यकता नहीं होती है।

सकारात्मक रूप से चार्ज किए गए आयन चैम्बर के निष्कर्षण प्रणाली (2 या 3 मल्टी-एपर्चर ग्रिड) की ओर फैलते हैं। आयन ग्रिड छेद पर प्लाज्मा शीथ में प्रवेश करने के बाद, वे पहले और दूसरे ग्रिड (क्रमशः स्क्रीन और त्वरक ग्रिड कहा जाता है) के बीच संभावित अंतर से त्वरित होते हैं। शक्तिशाली विद्युत क्षेत्र द्वारा आयनों को निष्कर्षण छिद्रों के माध्यम से निर्देशित किया जाता है। अंतिम आयन ऊर्जा प्लाज्मा की क्षमता से निर्धारित होती है, जो आम तौर पर स्क्रीन ग्रिड के वोल्टेज से थोड़ी अधिक होती है।

त्वरक ग्रिड का नकारात्मक वोल्टेज थ्रस्टर के बाहर बीम प्लाज्मा के इलेक्ट्रॉनों को डिस्चार्ज प्लाज्मा में वापस प्रवाहित होने से रोकता है। ग्रिड में अपर्याप्त नकारात्मक क्षमता के कारण यह विफल हो सकता है, जो आयन थ्रस्टर्स के परिचालन जीवन के लिए एक सामान्य समाप्ति है। न्यूटन के तीसरे नियम|न्यूटन के तीसरे नियम के अनुसार, निष्कासित आयन अंतरिक्ष यान को विपरीत दिशा में ले जाते हैं। कम ऊर्जा वाले इलेक्ट्रॉनों को एक अलग कैथोड से उत्सर्जित किया जाता है, जिसे न्यूट्रलाइज़र कहा जाता है, आयन बीम में यह सुनिश्चित करने के लिए कि समान मात्रा में सकारात्मक और नकारात्मक चार्ज बाहर निकल जाते हैं। अंतरिक्ष यान को शुद्ध नकारात्मक चार्ज प्राप्त करने से रोकने के लिए तटस्थीकरण की आवश्यकता होती है, जो आयनों को वापस अंतरिक्ष यान की ओर आकर्षित करेगा और जोर को रद्द कर देगा।

दीर्घायु
आयन प्रकाशिकी पर माध्यमिक आयनों की थोड़ी मात्रा द्वारा लगातार बमबारी की जाती है और वे नष्ट हो जाते हैं या घिस जाते हैं, जिससे इंजन की दक्षता और जीवन कम हो जाता है। कटाव को कम करने के लिए कई तकनीकों का उपयोग किया गया; सबसे उल्लेखनीय था एक अलग प्रणोदक पर स्विच करना। 1960 और 1970 के दशक में परीक्षणों के दौरान पारा (तत्व) या सीज़ियम परमाणुओं का उपयोग प्रणोदक के रूप में किया गया था, लेकिन ये प्रणोदक चिपक गए और ग्रिड को नष्ट कर दिया। दूसरी ओर, क्सीनन परमाणु बहुत कम संक्षारक होते हैं, और लगभग सभी आयन थ्रस्टर प्रकारों के लिए पसंदीदा प्रणोदक बन गए हैं। नासा ने 16,000 घंटे (1.8 वर्ष) से ​​अधिक समय तक नासा सोलर टेक्नोलॉजी एप्लिकेशन रेडीनेस थ्रस्टर और 48,000 घंटे (5.5 वर्ष) से ​​अधिक समय तक नेक्स्ट (आयन थ्रस्टर) थ्रस्टर के निरंतर संचालन का प्रदर्शन किया है। निष्कर्षण ग्रिड प्रणालियों में, ग्रिड ज्यामिति और उपयोग की जाने वाली सामग्रियों में मामूली अंतर होता है। इसका ग्रिड प्रणाली के परिचालन जीवनकाल पर प्रभाव पड़ सकता है।

विशिष्ट आवेग
इलेक्ट्रोस्टैटिक आयन थ्रस्टर्स ने 30-100 kN·s/kg का विशिष्ट आवेग भी हासिल किया है, जो अधिकांश अन्य आयन थ्रस्टर प्रकारों से बेहतर है। इलेक्ट्रोस्टैटिक आयन थ्रस्टर्स ने आयनों को 100 किलोमीटर प्रति सेकंड|किमी/सेकंड तक की गति तक बढ़ा दिया है।

चार ग्रिड के लाभ
जनवरी 2006 में, यूरोपीय अंतरिक्ष एजेंसी ने ऑस्ट्रेलियाई राष्ट्रीय विश्वविद्यालय  के साथ मिलकर एक बेहतर इलेक्ट्रोस्टैटिक आयन इंजन, डुअल-स्टेज 4-ग्रिड (DS4G) के सफल परीक्षण की घोषणा की, जिसने 210 किलोमीटर प्रति सेकंड|किमी/सेकंड की निकास गति दिखाई।, कथित तौर पर पहले हासिल की गई तुलना में चार गुना अधिक, एक विशिष्ट आवेग की अनुमति देता है जो चार गुना अधिक है। पारंपरिक इलेक्ट्रोस्टैटिक आयन थ्रस्टर्स में केवल दो ग्रिड होते हैं, एक उच्च वोल्टेज और एक कम वोल्टेज, जो आयन निष्कर्षण और त्वरण दोनों कार्य करते हैं। हालाँकि, जब इन ग्रिडों के बीच चार्ज का अंतर लगभग 5 kV तक पहुँच जाता है, तो चैम्बर से निकाले गए कुछ कण कम वोल्टेज ग्रिड से टकराते हैं, जिससे यह नष्ट हो जाता है और इंजन की लंबी उम्र से समझौता हो जाता है। जब दो जोड़ी ग्रिड का उपयोग किया जाता है तो यह सीमा सफलतापूर्वक पार हो जाती है। पहली जोड़ी उच्च वोल्टेज पर काम करती है, जिसके बीच उनके बीच लगभग 3 केवी का वोल्टेज अंतर होता है; यह ग्रिड जोड़ी गैस चैम्बर से आवेशित प्रणोदक कणों को निकालने के लिए जिम्मेदार है। दूसरी जोड़ी, कम वोल्टेज पर काम करते हुए, विद्युत क्षेत्र प्रदान करती है जो कणों को बाहर की ओर गति देती है, जिससे जोर पैदा होता है। नए इंजन के अन्य फायदों में एक अधिक कॉम्पैक्ट डिज़ाइन शामिल है, जो इसे उच्च थ्रस्ट तक बढ़ाने की अनुमति देता है, और 3 डिग्री का एक संकीर्ण, कम विचलन वाला निकास प्लम, जो कथित तौर पर पहले की तुलना में पांच गुना अधिक संकीर्ण है। यह थ्रस्ट वेक्टर दिशा में छोटी अनिश्चितताओं के कारण अंतरिक्ष यान के अभिविन्यास को सही करने के लिए आवश्यक प्रणोदक को कम कर देता है।

यह भी देखें

 * प्लाज्मा (भौतिकी) लेखों की सूची
 * विद्युत चालित अंतरिक्ष यान प्रणोदन
 * आयन थ्रस्टर
 * दोहरी-चरण 4-ग्रिड

अग्रिम पठन

 * In-orbit demonstration of an iodine electric propulsion system Nature 2021 Covers design detail that affect performance

बाहरी संबंध

 * Aerojet (Redmond, Washington USA) – Gridded Ion Thruster Vendor
 * NSTAR ion engine
 * Technologies to Improve Ion Propulsion System (PDF)
 * Electric Thruster Systems (PDF)
 * HiPEP
 * ESA And ANU Make Space Propulsion Breakthrough