ग्रिडयुक्त आयन थ्रस्टर

ग्रिडयुक्त आयन थ्रस्टर, आयन थ्रस्टर्स हेतु सामान्य प्रारूप है जो इलेक्ट्रोस्टैटिक बलों के साथ आयनों को तीव्र करने के लिए उच्च-वोल्टेज ग्रिड इलेक्ट्रोड का उपयोग करके विद्युत शक्ति पर चलित अत्यधिक कुशल कम-तीव्र अंतरिक्ष यान प्रणोदन विधि है।

इतिहास
आयन इंजन का प्रदर्शन सर्वप्रथम जर्मनी में जन्मे नासा वैज्ञानिक अर्नेस्ट स्टुहलिंगर ने किया था और सन 1957 से 1960 के दशक के आरम्भ 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 सर्वप्रथम 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। SERT-1 प्रथम था जिसे 20 जुलाई 1964 को प्रक्षेपित किया गया था जिसने सफलतापूर्वक सिद्ध कर दिया कि तकनीक अंतरिक्ष में अनुमान के अनुसार काम करती है। दूसरा परीक्षण SERT-II, 3 फरवरी, 1970 को प्रक्षेपित किया गया जिसने हजारों चलने वाले घंटों के लिए दो पारा आयन इंजनों के संचालन का सत्यापन किया। जबकि सन 1960 और 70 के दशक में प्रदर्शन के पश्चात भी सन 1990 के दशक के अंत से पूर्व उनका उपयोग कदाचित ही कभी किया जाता था।

नासा ग्लेन ने सन 1980 के दशक के समय इलेक्ट्रोस्टैटिक ग्रिडयुक्त आयन थ्रस्टर्स का विकास जारी रखा एवं 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 इंटरप्लेनेटरी प्रक्षेपवक्र को उड़ाने वाला प्रथम प्रणोदन अभियान था। इसके पश्चात इसने डॉन (अंतरिक्ष यान) क्षुद्रग्रह अभियान पर उड़ान भरी।

ह्यूजेस विमान (अब L-3 ETI) ने अपने जियोसिंक्रोनस उपग्रहों (100 से अधिक इंजन उड़ान भरने वाले) पर प्रदर्शनकारी स्टेशन रखने के लिए एक्सआईपीएस (क्सीनन आयन प्रणोदन प्रणाली) को विकसित किया है।

नासा वर्तमान में HiPEP नामक 20-50  किलोवाट इलेक्ट्रोस्टैटिक आयन थ्रस्टर पर काम कर रहा है जिसमें NSTAR की तुलना में उच्च दक्षता, विशिष्ट आवेग और लंबा जीवनकाल होगा।

सन 2006 में हवाई-जेट से चलित प्रकार के आदर्श NEXT (आयन थ्रस्टर) ने आयन थ्रस्टर का परीक्षण पूर्ण किया।

सन 1970 के दशक के आरम्भ 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। क्विंटेक (यूके) ने T5 और T6 इंजन (कॉफमैन प्रकार) विकसित किए हैं जिनका उपयोग GOCE अभियान (T5) और BepiColombo अभियान (T6) में किया गया है। जापान से μ10 माइक्रोवेव का उपयोग करके हायाबुसा अभियान पर उड़ान भरी।

सन 2021 में DART ने NEXT-C सीनन आयन थ्रस्टर (दोहरे क्षुद्रग्रह पुनर्निर्देशन परीक्षण) को प्रक्षेपित किया गया।

सन 2021 में "थ्रस्ट मी" ने अपने NPT30-I2 आयोडीन आयन थ्रस्टर का उपयोग करके उपग्रह कक्षा में परिवर्तन की सूचना दी।

संचालन की विधि
प्रणोदक परमाणुओं को निर्वहन कक्ष में अन्तःक्षेप किया जाता है और उन्हें आयनित किया जाता है जिससे प्लाज्मा बनता है।

निर्वहन कक्ष के लिए इलेक्ट्रोस्टैटिक आयनों के उत्पादन के कई प्रकार हैं:


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

इलेक्ट्रोस्टैटिक आयन उत्पादन विधि से संबंधित कैथोड और बिजली आपूर्ति 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 परन्तु 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 आवरण में प्रवेश करने के पश्चात वे पहले और दूसरे ग्रिड (क्रमशः स्क्रीन और त्वरक ग्रिड कहा जाता है) के मध्य 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 सामान्य रूप से 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 पुनः 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 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 तथा 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 थ्रस्ट 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; एक भिन्न प्रणोदक पर परिवर्तन करना सबसे उल्लेखनीय था। सन 1960 और 1970 के दशक में परीक्षणों के समय पारा (तत्व) या सीज़ियम परमाणुओं का उपयोग प्रणोदक के रूप में किया गया था परन्तु 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 साधारण 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 प्राप्त किया है जो अधिकांश अन्य आयन थ्रस्टर प्रकारों से उन्नत है। इलेक्ट्रोस्टैटिक आयन थ्रस्टर्स ने आयनों को 100 किलोमीटर प्रति 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 उन्नत इलेक्ट्रोस्टैटिक आयन इंजन, डुअल-स्टेज 4-ग्रिड (DS4G) के सफल परीक्षण की घोषणा की जिसने 210 किलोमीटर प्रति सेकंड की निकास गति दिखाई। कथित रूप से पहले प्राप्त की गई तुलना में चार गुना अधिक, 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। जबकि जब इन ग्रिडों के मध्य 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 उनके बीच लगभग 3 केवी का वोल्टेज अंतर होता है; यह ग्रिड जोड़ी गैस चैम्बर से आवेशित प्रणोदक कणों को निकालने के लिए उत्तरदायी है। दूसरी जोड़ी कम वोल्टेज पर काम करते हुए विद्युत क्षेत्र प्रदान करती है जो कणों को बाहर की ओर गति देती है जिससे थ्रस्ट उत्पन्न होता है। नए इंजन के अन्य लाभों में अधिक कॉम्पैक्ट प्रारूप सम्मिलित है जो इसे उच्च थ्रस्ट तक बढ़ाने की अनुमति देता है और 3 डिग्री का एक संकीर्ण, कम विचलन वाला निकास प्लम, जो कथित रूप 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