चीन ने कक्षा में कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण का प्रदर्शन किया, ऑक्सीजन और रॉकेट ईंधन बनाया

कक्षा में एक सरल परीक्षण आत्मनिर्भर अंतरिक्ष उड़ान की ओर इशारा करता है

चीन ने अंतरिक्ष में संसाधन उत्पादन की पहली उपलब्धि हासिल करने का दावा किया है। तियांगोंग अंतरिक्ष स्टेशन पर शेनझोउ-19 के दल ने एक कॉम्पैक्ट कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण इकाई का इस्तेमाल करके कार्बन डाइऑक्साइड और पानी से दो जरूरी चीजें बनाईं: सांस लेने योग्य ऑक्सीजन और एथिलीन, एक हाइड्रोकार्बन जिसका इस्तेमाल रॉकेट प्रणोदक बनाने में किया जा सकता है। दराज के आकार वाले उपकरण में 12 नियंत्रित परीक्षणों के जरिए पूरा किया गया यह प्रदर्शन दिखाता है कि पृथ्वी पर पौधों में होने वाली मूल रासायनिक प्रक्रियाओं को कक्षा में काम करने के लिए तैयार किया जा सकता है।

इस नतीजे को खास बनाने वाली बात सिर्फ यह नहीं कि क्या बना, बल्कि यह भी है कि किन परिस्थितियों में बना। यह प्रणाली अत्यधिक परिस्थितियों के बजाय कमरे के तापमान और सामान्य दबाव पर चली, जिनकी कई रासायनिक संयंत्रों को जरूरत होती है। सूक्ष्म गुरुत्व में अंतरिक्ष यात्रियों ने गैस और तरल पदार्थों की आवाजाही पर सटीक नियंत्रण भी किया। यह एक जानी-पहचानी चुनौती है, क्योंकि वहां बुलबुले ऊपर नहीं उठते और तरल पदार्थ नीचे नहीं बैठते। दल ने उत्पादों को वास्तविक समय में दर्ज किया, जिससे ऑक्सीजन बनने और हाइड्रोकार्बन के निर्माण, दोनों की पुष्टि हुई।

चीन में यह तकनीक 2015 से विकसित की जा रही है। अंतरिक्ष में इसे काम करते देखना ऐसे किसी भी लक्ष्य के लिए एक अहम पड़ाव है, जिसका मकसद लगातार आपूर्ति भेजे बिना दलों की जरूरतें पूरी करना है। अगर अंतरिक्षयान अपनी उड़ान के दौरान हवा और ईंधन बना सकें, तो मिशन हल्के, सुरक्षित और अधिक लचीले हो जाएंगे। यही तकनीकी साधन चंद्रमा या मंगल पर चौकियों के काम भी आ सकते हैं, जहां पानी और कार्बन डाइऑक्साइड जमे हुए रूप में या वायुमंडल में मौजूद हैं।

अधिकारियों ने कहा है कि उत्प्रेरक बदलकर इस प्रणाली को अलग-अलग उत्पाद बनाने के लिए समायोजित किया जा सकता है, जिनमें मीथेन और फॉर्मिक एसिड शामिल हैं। मीथेन पहले से ही पसंदीदा रॉकेट ईंधनों में से एक है, जबकि फॉर्मिक एसिड अधिक जटिल रसायनों के निर्माण का आधार बन सकता है। इसमें खाद्य उत्पादन अनुसंधान के लिए शर्करा संश्लेषण की दिशा में होने वाली प्रक्रियाएं भी शामिल हैं। यह लचीलापन ऐसे भविष्य की ओर इशारा करता है जिसमें एक ही उपकरण जीवन-समर्थन से लेकर प्रणोदन आपूर्ति तक कई काम कर सके।

यह प्रणाली कैसे काम करती है

कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण पौधों की प्रक्रिया की नकल करता है, लेकिन पत्तियों की जगह इंजीनियर की गई सामग्रियों का इस्तेमाल करता है। सरल शब्दों में, इस प्रक्रिया के दो हिस्से हैं। एक हिस्सा पानी को तोड़कर ऑक्सीजन बनाता है और O2 को केबिन तक पहुंचाता है। दूसरा हिस्सा कार्बन डाइऑक्साइड में इलेक्ट्रॉन और हाइड्रोजन जोड़कर एथिलीन, मीथेन या फॉर्मेट जैसे अणु बनाता है। ऊर्जा या तो सौर पैनल से सूर्य के प्रकाश को बिजली में बदलकर मिलती है, या उस प्रकाश से जो उपकरण के भीतर अर्धचालक उत्प्रेरक को सीधे सक्रिय करता है।

सरल भाषा में रसायन विज्ञान

तियांगोंग इकाई के भीतर अर्धचालक उत्प्रेरक ऐसी सतह देता है, जहां कार्बन डाइऑक्साइड और पानी परस्पर क्रिया करते हैं। ऊर्जा मिलने पर उत्प्रेरक परमाणुओं को नए सिरे से व्यवस्थित करने में मदद करता है। पानी से ऑक्सीजन और हाइड्रोजन निकलते हैं। कार्बन डाइऑक्साइड कार्बन मुहैया कराती है। उत्प्रेरक के आधार पर कार्बन परमाणु अलग-अलग तरीकों से जुड़ते हैं। तांबा-आधारित उत्प्रेरक आमतौर पर कार्बन परमाणुओं को जोड़कर एथिलीन बनाते हैं। अन्य सामग्रियां मीथेन या कार्बन मोनोऑक्साइड बनने के पक्ष में होती हैं। इंजीनियर मनचाहा मिश्रण पाने के लिए उत्प्रेरक चुनते हैं।

तियांगोंग पर भेजी गई इकाई में ऐसी प्रक्रियाओं का इस्तेमाल होता दिखता है जो कमरे के तापमान पर चलती हैं और जिनके लिए उच्च-दबाव वाले टैंकों या अधिक तापमान की जरूरत नहीं होती। इससे बिजली की जरूरत घटती है, जो ऐसे अंतरिक्षयान के लिए बेहद अहम है जहां हर वॉट का हिसाब रखा जाता है। इससे उपकरण को वायु-प्रबंधन प्रणालियों के साथ जोड़ना भी आसान होता है, क्योंकि ऑक्सीजन केबिन के दबाव पर प्रवाहित हो सकती है और हाइड्रोकार्बनों को भारी-भरकम कंप्रेसर के बिना संग्रहित किया जा सकता है या आगे की प्रक्रिया के लिए भेजा जा सकता है।

तियांगोंग के दल ने वास्तव में क्या किया

शेनझोउ-19 के दल ने, जिसका मिशन अक्टूबर 2024 के आखिर में शुरू हुआ था, दराज के आकार वाले मॉड्यूल में 12 प्रयोग किए। उपकरण में उत्प्रेरक, द्रव चैनल और सेंसर थे, जो गैस, तरल और ठोस घटकों वाली तीन-चरणीय प्रतिक्रिया को नियंत्रित करने के लिए जरूरी हैं। दल ने ऑक्सीजन का उत्पादन सत्यापित किया और प्रणोदन अनुसंधान के लिए अहम लक्ष्य उत्पाद एथिलीन की मौजूदगी मापी।

सूक्ष्म गुरुत्व में द्रवों पर नियंत्रण एक बड़ी चुनौती थी। पृथ्वी पर गैसें और तरल पदार्थ स्वाभाविक रूप से अलग हो जाते हैं। कक्षा में सतही तनाव हावी रहता है। तियांगोंग के हार्डवेयर में चैनल, झिल्लियां और प्रवाह नियंत्रण प्रणालियां थीं, जो अभिकारकों को उत्प्रेरक के संपर्क में बनाए रखती थीं और उत्पादों को दूर ले जाती थीं, ताकि प्रतिक्रिया जारी रह सके। भविष्य के डिजाइन तैयार करने में मदद के लिए प्रयोग में गैसों की आवाजाही और उनके अलग होने के व्यवहार को दर्ज किया गया।

सूक्ष्म गुरुत्व में नियंत्रण क्यों अहम है

अगर बुलबुले उत्प्रेरक से चिपक जाएं, तो उत्पादन घट जाता है। अगर तरल पदार्थ प्रतिक्रिया वाली सतह तक समान रूप से न पहुंचें, तो कहीं अत्यधिक गर्म हिस्से बनते हैं तो कहीं सूखे क्षेत्र। सटीक प्रवाह नियंत्रण ही प्रयोगशाला में सिद्धांत साबित करने और भंडारण टैंक तक पहुंचने वाली उत्पाद धारा के बीच का फर्क है। तियांगोंग पर जुटाए गए आंकड़े इंजीनियरों को प्रक्रिया का विस्तार करने के लिए जरूरी जानकारी देते हैं।

यह परीक्षण अंतरिक्ष स्टेशन पर किए जा रहे उन प्रयोगों की बढ़ती सूची में जुड़ता है, जिनमें परखा जाता है कि गुरुत्वाकर्षण के बिना रोजमर्रा की प्रक्रियाएं कैसे काम करती हैं। तियांगोंग पर पहले हुए प्रयोगों में सलाद पत्ता और टमाटर उगाना, यहां तक कि लौ के व्यवहार का अध्ययन करने के लिए माचिस जलाना भी शामिल रहा है। ये अध्ययन पृथ्वी से बाहर कारखाने और खेत चलाने के लिए जरूरी व्यावहारिक ज्ञान विकसित करते हैं।

जीवन-समर्थन और प्रणोदन के लिए यह क्यों अहम है

रॉकेट से पृथ्वी से बाहर न ले जाया जाने वाला हर किलोग्राम लागत और जोखिम घटाता है। ऑक्सीजन इसका एक प्रमुख उदाहरण है। अंतरराष्ट्रीय अंतरिक्ष स्टेशन सौर पैनलों से मिलने वाली बिजली से चलने वाली विद्युत-अपघटन इकाई में पानी को तोड़कर ऑक्सीजन बनाता है। शोध के अनुसार, स्टेशन की जीवन-समर्थन ऊर्जा की करीब एक-तिहाई जरूरत ऑक्सीजन उत्पादन में लगती है। यह तरीका काम करता है, लेकिन इसकी बिजली की लागत अधिक है और प्रणाली अब भी पानी तथा उपभोग्य सामग्रियों की समय-समय पर होने वाली आपूर्ति पर निर्भर है।

कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण एक दूसरा रास्ता खोलता है। यह अंतरिक्ष यात्रियों की छोड़ी हुई कार्बन डाइऑक्साइड को फिर से ऑक्सीजन में बदल सकता है और उसी उपकरण में ईंधन के लिए हाइड्रोकार्बन अणु भी बना सकता है। ये प्रतिक्रियाएं कमरे के तापमान और केबिन के दबाव पर चल सकती हैं, जिससे बिजली की मांग घटती है। जो स्टेशन या बेस अपनी ऑक्सीजन और प्रणोदक खुद बना सके, वह आपूर्ति के बीच का अंतराल बढ़ा सकता है और विज्ञान तथा संचालन के लिए अधिक बिजली बचा सकता है।

उत्पादों के विकल्पों का भी महत्व है। कई आधुनिक इंजनों में, जिनमें पुनः उपयोग के लिए बनाए जा रहे डिजाइन भी शामिल हैं, मीथेन के साथ तरल ऑक्सीजन का इस्तेमाल होता है। फॉर्मिक एसिड हाइड्रोजन को रासायनिक रूप से संग्रहित करके बाद में उपयोग के लिए रख सकता है। एथिलीन को सीधे जलाया जा सकता है या दूसरे ईंधनों और सामग्रियों में परिष्कृत किया जा सकता है। ऐसा तंत्र जो अपशिष्ट कार्बन को उपयोगी अणुओं में बदलता है, स्टेशन पर पानी के हर लीटर और सूर्य के प्रकाश से मिलने वाली हर वॉट ऊर्जा का उपयोगिता मूल्य बढ़ाता है।

क्या एथिलीन असली अंतरिक्षयानों को ईंधन दे सकता है

एथिलीन दो कार्बन परमाणुओं वाला एक सरल हाइड्रोकार्बन है। यह तरल ऑक्सीजन के साथ आसानी से जलता है और इंजन या थ्रस्टर में ईंधन के रूप में काम आ सकता है। इसका इस्तेमाल शोध इंजनों और परीक्षण उड़ानों में किया गया है। इसका प्रदर्शन इंजन के डिजाइन पर निर्भर करता है, लेकिन यह मीथेन और प्रोपेन वाले ही समूह में आता है। कक्षा में इसका फायदा यह है कि तांबा-आधारित उत्प्रेरक इस्तेमाल करने पर कार्बन डाइऑक्साइड के अपचयन से एथिलीन सीधे बन सकता है।

इसके कुछ समझौते भी हैं। कमरे के तापमान पर एथिलीन गैस होता है, इसलिए इसे संग्रहित करने के लिए दबाव बढ़ाना या ठंडा करना पड़ता है। कई मिशन मीथेन को पसंद करते हैं, क्योंकि तरल ऑक्सीजन के साथ क्रायोजेनिक तापमान पर इसे संभालना आसान है। एथिलीन कच्चे माल के रूप में भी काम आ सकता है। आगे की प्रक्रिया से इसे तरल पदार्थों या विनिर्माण में उपयोगी प्लास्टिक में बदला जा सकता है। तियांगोंग प्रयोग ने दिखाया कि दल एथिलीन को लक्ष्य उत्पाद के रूप में बना सकता है, लेकिन भविष्य के मिशनों में उपयोग के आधार पर उत्प्रेरक को मीथेन या फॉर्मेट बनाने के लिए समायोजित किया जा सकता है।

प्रणोदक का चुनाव इस कहानी का सिर्फ एक हिस्सा है। लगभग सभी रासायनिक रॉकेटों में प्रणोदक के कुल भार में ऑक्सीजन का हिस्सा सबसे भारी होता है। अंतरिक्ष में सस्ते में ऑक्सीजन बनाने वाला कोई भी उपकरण प्रक्षेपित किए जाने वाले भार को घटाता है। शुरुआत में हाइड्रोकार्बन पृथ्वी से भेजे जाएं, तब भी स्थानीय स्तर पर ऑक्सीजन देने वाला स्टेशन मिशन के हिसाब-किताब को फायदे की ओर बदल देगा।

अंतरिक्ष स्टेशन से चंद्रमा तक

चीन ने 2030 से पहले चालक दल सहित चंद्रमा पर उतरने और 2030 के दशक की शुरुआत से मध्य तक अंतरराष्ट्रीय चंद्र अनुसंधान स्टेशन स्थापित करने के सार्वजनिक लक्ष्य तय किए हैं। 2024 की रिपोर्टों में इन योजनाओं का जिक्र था कि उस बेस को बिजली देने के लिए रोबोट एक कॉम्पैक्ट परमाणु रिएक्टर जोड़ेंगे। बिजली इसका एक हिस्सा है। अगला हिस्सा हवा और ईंधन की ऐसी आपूर्ति है जो कार्गो उड़ानों पर निर्भर न हो। तियांगोंग परीक्षण को इस लक्ष्य की नींव के रूप में पेश किया जा रहा है।

कक्षा में भविष्य की आपूर्ति शृंखला

एक और पहलू कक्षा में प्रणोदक को ले जाने और साझा करने की क्षमता है। जनवरी 2025 में चीन ने ईंधन भरने की तकनीकों का परीक्षण करने के लिए शिजियान-25 उपग्रह प्रक्षेपित किया। स्टेशन पर उत्पादन के साथ मिलकर ये परीक्षण ऐसी आपूर्ति शृंखला की ओर इशारा करते हैं, जिसमें एक मंच ईंधन के घटक बनाता है और दूसरा उन्हें उपग्रहों या स्थानांतरण यानों तक पहुंचाता है। इसकी व्यावहारिक व्यवस्था कुछ ऐसी हो सकती है: चालक दल वाला या रोबोटिक मंच कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण से CO2 और पानी को ऑक्सीजन तथा मीथेन में बदलता है। टैंकर उपग्रह प्रणोदक लेने और उसे गति बढ़ाने की जरूरत वाले अंतरिक्षयानों तक पहुंचाने के लिए उनके पास आते हैं। चंद्रमा की सतह पर ऐसी ही इकाई आवासों को ऑक्सीजन देती है और कक्षा में वापस प्रक्षेपण के लिए मीथेन संग्रहित करती है। हर स्थान पर रसायन प्रक्रिया चलाने के लिए स्थानीय सूर्य प्रकाश या परमाणु ऊर्जा का इस्तेमाल होता है।

आगे क्या होना जरूरी है

तियांगोंग का उपकरण अवधारणा का प्रमाण है, अभी कोई कारखाना नहीं। किसी दल की जरूरतें पूरी करने या यानों में ईंधन भरने के लिए उत्पादन कई गुना बढ़ाना होगा। इसके लिए बड़े प्रतिक्रिया क्षेत्र, बेहतर ताप प्रबंधन और ऐसे उत्प्रेरक चाहिए जो निष्क्रिय हुए बिना महीनों तक चलें। अंतरिक्ष विकिरण और तापमान में उतार-चढ़ाव सामग्रियों को खराब कर सकते हैं। इंजीनियरों को लंबे समय तक टिकाऊपन की जांच करनी होगी और भारी उपकरण ऊपर भेजे बिना पुर्जे बदलने के तरीके विकसित करने होंगे।

उत्पादों को अलग करना और उनका भंडारण करना भी उतना ही कठिन है। सांस लेने और इंजनों में इस्तेमाल के लिए ऑक्सीजन उच्च शुद्धता वाली होनी चाहिए। हाइड्रोकार्बनों को सह-उत्पादों से अलग करके सुरक्षित रूप से दबाव में लाना या तरल बनाना होगा। अंतरिक्षयान के भीतर ऑक्सीजन और ईंधन संभालने से आग का जोखिम बढ़ता है, जिसे डिजाइनरों को वाल्व, सेंसर और कड़े पृथक्करण के जरिए घटाना होगा। इनमें से कोई चुनौती ऐसी नहीं है जिसे हल न किया जा सके, लेकिन इनके लिए सावधानीपूर्वक इंजीनियरिंग और बार-बार परीक्षण जरूरी हैं।

जीवन-समर्थन चक्रों के साथ इसका तालमेल वास्तविक लाभ तय करेगा। अंतरराष्ट्रीय अंतरिक्ष स्टेशन पर विद्युत-अपघटन के साथ एक रिएक्टर काम करता है, जो CO2 और हाइड्रोजन को मिलाकर पानी और मीथेन बनाता है तथा चक्र के एक हिस्से को बंद करता है। भविष्य का स्टेशन इन तरीकों में से किसी एक को चुन सकता है या उन्हें मिला सकता है। सबसे अच्छा डिजाइन हवा से CO2 पकड़कर लगातार ऑक्सीजन बना सकता है और अतिरिक्त बिजली के समय ईंधन को भंडारण के लिए भेज सकता है। नियमित उपयोग के लिए रोबोटिक संचालन अनिवार्य होगा।

वैश्विक प्रयासों में इसकी जगह

पृथ्वी से बाहर संसाधन उत्पादन अंतरिक्ष एजेंसियों का साझा लक्ष्य है। नासा ने परसिवरेंस रोवर पर MOXIE प्रयोग भेजा था, जिसने मंगल के वायुमंडल से ऑक्सीजन निकाली और साबित किया कि वहां एक छोटी इकाई ऑक्सीजन बना सकती है। यूरोपीय अंतरिक्ष एजेंसी और कई प्रयोगशालाएं ऐसे प्रकाश-उत्प्रेरकों का अध्ययन कर रही हैं जो सूर्य के प्रकाश या बिजली से CO2 को बदल सकते हैं। निजी कंपनियां वहीं बनाई गई ऑक्सीजन के साथ इस्तेमाल के लिए मीथेन इंजन तैयार कर रही हैं। इन परियोजनाओं का विचार एक ही है: स्थानीय सामग्रियों का इस्तेमाल करो और प्रक्षेपण में जाने वाला भार बचाओ।

अब तक कक्षा में जीवन-समर्थन के अधिकतर परीक्षणों में पौधों की वृद्धि, जीव विज्ञान और विद्युत-अपघटन पर जोर रहा है। तियांगोंग प्रयोग पहली ऐसी रिपोर्ट है जिसमें कमरे के तापमान और सामान्य दबाव पर कक्षा में कार्बन डाइऑक्साइड अपचयन प्रणाली से हाइड्रोकार्बन और ऑक्सीजन बनाई गई। इस कदम से एक ही उपकरण में जीवन-समर्थन और प्रणोदन आपूर्ति जुड़ते हैं। इससे भविष्य के मंचों की महत्वाकांक्षा का स्तर बढ़ता है, चाहे वे पृथ्वी की निचली कक्षा में हों, पृथ्वी-चंद्रमा क्षेत्र में या चंद्रमा की सतह पर।

प्रतिस्पर्धा प्रगति तेज कर सकती है। चंद्र बेस और गहरे अंतरिक्ष मिशनों की योजनाओं के साथ चीन इस तकनीक का विस्तार करना चाहेगा। अमेरिका, यूरोप, जापान और अन्य देशों के भी स्थानीय संसाधनों के उपयोग के सक्रिय कार्यक्रम हैं और वे जल्द ही अपने प्रदर्शन परीक्षण कर सकते हैं। इंजीनियरों के लिए लक्ष्य ऐसा व्यावहारिक उपकरण तैयार करना है जो बिना परेशानी महीनों तक काम करे।

मुख्य बातें

• शेनझोउ-19 के अंतरिक्ष यात्रियों ने तियांगोंग पर कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण के 12 प्रयोग किए।
• उपकरण ने कमरे के तापमान और सामान्य दबाव पर CO2 और पानी को ऑक्सीजन तथा एथिलीन में बदला।
• प्रयोगों के दौरान सूक्ष्म गुरुत्व में द्रव नियंत्रण और वास्तविक समय में पहचान की पुष्टि हुई।
• उत्प्रेरक बदलकर प्रणाली को अलग-अलग इस्तेमाल के लिए मीथेन या फॉर्मिक एसिड बनाने के लक्ष्य पर रखा जा सकता है।
• अंतरराष्ट्रीय अंतरिक्ष स्टेशन पर पानी के विद्युत-अपघटन की तुलना में इस तरीके का लक्ष्य बिजली की मांग घटाना है।
• एथिलीन प्रणोदक के रूप में इस्तेमाल हो सकता है या दूसरे ईंधन और सामग्री बनाने के कच्चे माल के रूप में काम आ सकता है।
• चीन कक्षा में उत्पादन को ईंधन भरने के परीक्षणों के साथ जोड़ रहा है और 2030 से पहले चालक दल सहित चंद्रमा पर उतरने की योजना बना रहा है।
• आगे की प्रमुख चुनौतियों में उत्पादन बढ़ाना, लंबे समय तक स्थिरता और सुरक्षित भंडारण तथा संचालन शामिल हैं।