अंतरिक्ष में उपयोग के लिए प्रौद्योगिकी विकसित करते समय इंजीनियरों को जिन चुनौतियों का सामना करना पड़ता है उनमें से एक विभिन्न गुरुत्वाकर्षण की चुनौती है। अधिकतर, इंजीनियरों के पास केवल परीक्षण बिस्तरों तक पहुंच होती है जो या तो पृथ्वी के सामान्य गुरुत्वाकर्षण को प्रतिबिंबित करते हैं या, यदि वे भाग्यशाली हैं, तो आईएसएस की माइक्रोग्रैविटी को दर्शाते हैं। चंद्रमा और मंगल ग्रह पर कम, लेकिन नगण्य नहीं, गुरुत्वाकर्षण के लिए सिस्टम डिजाइन करना और परीक्षण करना अधिक कठिन है। लेकिन कुछ प्रणालियों के लिए, यह आवश्यक है। ऐसी ही एक प्रणाली इलेक्ट्रोलिसिस है, वह प्रक्रिया जिसके द्वारा खोजकर्ता अंतरिक्ष यात्रियों के लिए स्थायी चंद्रमा या मंगल ग्रह पर सांस लेने के लिए ऑक्सीजन, साथ ही रॉकेट ईंधन के लिए हाइड्रोजन जैसे महत्वपूर्ण तत्व बनाएंगे। उन परिस्थितियों में काम करने वाली प्रणालियों के विकास को आगे बढ़ाने में मदद करने के लिए, जॉन्स हॉपकिन्स यूनिवर्सिटी एप्लाइड फिजिक्स प्रयोगशाला के कम्प्यूटेशनल भौतिक विज्ञानी डॉ. पॉल बर्क के नेतृत्व में शोधकर्ताओं की एक टीम ने हर जगह वैज्ञानिकों के पसंदीदा उपकरण: मॉडल की ओर रुख करने का फैसला किया।
इससे पहले कि हम मॉडल का पता लगाएं, जिस समस्या को वे हल करने का प्रयास कर रहे हैं उसकी जांच करना सहायक है। इलेक्ट्रोलिसिस एक इलेक्ट्रोड को एक तरल में डुबो देता है और परमाणुओं को अलग करने के लिए विद्युत प्रवाह और उसके बाद की रासायनिक प्रतिक्रिया का उपयोग करता है। इसलिए, उदाहरण के लिए, यदि आप पानी में एक इलेक्ट्रोड डालते हैं, तो यह उस पानी को हाइड्रोजन और ऑक्सीजन में अलग कर देगा।
समस्या गुरुत्वाकर्षण कम होने से आती है। इलेक्ट्रोलिसिस के भाग के रूप में, इलेक्ट्रोड की सतह पर बुलबुले बनते हैं। पृथ्वी पर, वे बुलबुले आम तौर पर अलग हो जाते हैं और सतह पर तैरने लगते हैं, क्योंकि उनके और शेष तरल के बीच घनत्व का अंतर उन्हें मजबूर करता है।
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हालाँकि, कम गुरुत्वाकर्षण में, बुलबुले या तो अलग होने में अधिक समय लेते हैं या ऐसा बिल्कुल नहीं करते हैं। यह इलेक्ट्रोड की लंबाई के साथ एक बफर परत बनाता है जो इलेक्ट्रोलिसिस प्रक्रिया की दक्षता को कम कर देता है, कभी-कभी इसे पूरी तरह से रोक देता है। इलेक्ट्रोलिसिस एकमात्र तरल प्रक्रिया नहीं है जिसे कम गुरुत्वाकर्षण वाले वातावरण में संचालित करने में कठिनाई होती है – कई आईएसएस प्रयोगों में भी परेशानी होती है। यह आंशिक रूप से इस बात की पूरी समझ की कमी के कारण है कि इन वातावरणों में तरल पदार्थ कैसे काम करते हैं – और यह स्वयं आंशिक रूप से प्रयोगात्मक डेटा की कमी से प्रेरित है।
यही वह जगह है जहां मॉडलिंग आती है। डॉ. बर्क और उनके सहयोगी कम्प्यूटेशनल फ्लूइड डायनेमिक्स नामक एक तकनीक का उपयोग करते हैं ताकि कम गुरुत्वाकर्षण वाले वातावरण में तरल पदार्थों से गुजरने वाली ताकतों की नकल करने का प्रयास किया जा सके और बुलबुले के गठन को भी समझा जा सके।
पृथ्वी पर इलेक्ट्रोलिसिस आमतौर पर पानी से किया जाता है, लेकिन वहां क्यों रुकें? टीम ने अपने सीएफडी का उपयोग दो अन्य तरल पदार्थों को मॉडल करने के लिए किया, जिनका उपयोग इलेक्ट्रोलाइज़र – पिघला हुआ नमक (एमएसई) और पिघला हुआ रेगोलिथ (एमआरई) में किया जा सकता है। पिघला हुआ नमक पृथ्वी पर उपयोग किया जाता है, लेकिन सामान्य पानी की तुलना में कम, और इसने सफलतापूर्वक ऑक्सीजन का उत्पादन किया है। हालाँकि, पिघला हुआ रेजोलिथ इलेक्ट्रोलिसिस अभी भी कुछ हद तक एक नया उपयोग का मामला है और इसका अभी तक पूरी तरह से परीक्षण नहीं किया गया है। MOXIE, वह प्रयोग जिसने 2021 में मंगल ग्रह पर प्रसिद्ध रूप से ऑक्सीजन बनाया, मंगल के वायुमंडल में कार्बन डाइऑक्साइड और एक ठोस-अवस्था इलेक्ट्रोड का उपयोग किया – न ही पिघले हुए रेजोलिथ का प्रतिनिधि।
डॉ. बर्क और उनकी टीम ने पाया कि, कम्प्यूटेशनल रूप से, कम से कम, एमआरई में कम गुरुत्वाकर्षण में सबसे चुनौतीपूर्ण स्थितियाँ हैं। किसी भी कम गुरुत्वाकर्षण वाले वातावरण में इसका परीक्षण कभी नहीं किया गया है, इसलिए अभी तक; यदि इंजीनियरों को कोई सिस्टम डिज़ाइन करना है तो उन्हें इन सिमुलेशन पर काम करना होगा।
हालाँकि, मॉडलिंग से कुछ मुख्य बातें थीं। सबसे पहले, इंजीनियरों को एमआरई सिस्टम में क्षैतिज इलेक्ट्रोड डिजाइन करना चाहिए, क्योंकि एक बुलबुला इलेक्ट्रोड में जितना लंबा फैलता है (यानी, जैसे ही यह “ऊपर” जाता है), उस बुलबुले को अलग होने में उतना ही अधिक समय लगता है। क्षैतिज विन्यास में, इलेक्ट्रोड के पास जुड़ने के लिए सतह का क्षेत्रफल कम होता है, जिससे बुलबुले के अलग होने और सतह पर तैरने की संभावना अधिक हो जाती है।
इसके अतिरिक्त, समय के बुलबुले की मात्रा घटते गुरुत्वाकर्षण के साथ इलेक्ट्रोड स्केल से जुड़ी रहती है। इसका मतलब है कि चंद्रमा पर बुलबुले मंगल ग्रह की तुलना में अलग होने में अधिक समय लेंगे, जो कि पृथ्वी पर बुलबुले की तुलना में अधिक समय लेगा। नतीजतन, चंद्रमा पर इलेक्ट्रोलिसिस मंगल ग्रह की तुलना में कम कुशल होगा, जो फिर से पृथ्वी की तुलना में कम कुशल होगा, और मिशन योजनाकारों को इन विसंगतियों को ध्यान में रखना होगा यदि वे इससे ऑक्सीजन के रूप में मिशन-महत्वपूर्ण कुछ प्राप्त करने की योजना बना रहे हैं। प्रक्रिया। इलेक्ट्रोड की चिकनाई भी मायने रखती है, मोटे इलेक्ट्रोड के बुलबुले पर टिके रहने की अधिक संभावना होती है और इसलिए, कम कुशल होते हैं।
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अन्य इंजीनियरिंग समाधान इन सभी चुनौतियों को दूर कर सकते हैं, जैसे बुलबुले को ढीला करने के लिए इलेक्ट्रोड पर एक कंपन तंत्र। हालाँकि, किसी मिशन को लॉन्च करने से पहले कम गुरुत्वाकर्षण वाले वातावरण में होने वाली सभी अतिरिक्त जटिलताओं पर विचार करना एक अच्छा विचार है। इसीलिए मॉडलिंग इतनी महत्वपूर्ण है, लेकिन मानवता को अंततः इन प्रणालियों का प्रयोगात्मक परीक्षण करना होगा, शायद चंद्रमा पर ही, अगर हम वहां अपनी उपस्थिति बनाए रखने के लिए इसके स्थानीय संसाधनों का उपयोग करने की योजना बनाते हैं।
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