અંધારી અવકાશી યાત્રાઓનો આણ્વિક પાવર હાઉસ: RTG ની એન્જિનિયરિંગ અને કાર્યપદ્ધતિ

અવકાશ વિજ્ઞાનમાં જ્યારે કોઈ સ્પેસક્રાફ્ટ સૂર્ય મંડળના અતિ દૂરના સીમાડાઓ તરફ પ્રયાણ કરે છે, ત્યારે સૂર્યપ્રકાશ એટલો ક્ષીણ થઈ જાય છે કે વિશાળ સોલર પેનલ્સ પણ દમ તોડી દે છે. આવા કપરા અને અંધારા વાતાવરણમાં માનવસર્જિત સાધનોને દાયકાઓ સુધી જીવંત રાખવાનું કામ 'રેડિયોઆઇસોટોપ થર્મોઇલેક્ટ્રિક જનરેટર' (Radioisotope Thermoelectric Generator - RTG) કરે છે. જેને સરળ ભાષામાં 'ન્યુક્લિયર બેટરી' અથવા રેડિયોઆઇસોટોપ પાવર સિસ્ટમ (Radioisotope Power System - RPS) તરીકે ઓળખવામાં આવે છે. આ એક એવું અદ્ભુત ઉપકરણ છે જેમાં કોઈ ગતિશીલ ભાગો (moving parts) હોતા નથી, જેના કારણે તેના પૂર્જા ઘસાઈ જવાનો કે બગાડવાનો કોઈ ભય રહેતો નથી.

RTG નો મૂળભૂત સિદ્ધાંત બે અત્યંત જટિલ વિજ્ઞાન ક્ષેત્રોનું સંયોજન કરે છે: રેડિયોએક્ટિવ ક્ષય (radioactive decay) થી ઉત્પન્ન થતી અતિશય ઉષ્મા અને વિદ્યુત એન્જિનિયરિંગની 'સિબેક ઇફેક્ટ' (Seebeck effect). સામાન્ય ફ્યુઅલ સેલ, કેમિકલ બેટરી કે યાંત્રિક જનરેટરો જ્યાં નિષ્ફળ જાય છે અથવા ભારે પડે છે, ત્યાં આ ઉપકરણ સો કે થોડાક સો વોટ વિદ્યુત ઊર્જા સળંગ દાયકાઓ સુધી પૂરી પાડે છે. જમીન પર અને અવકાશમાં જાળવણી વિના વર્ષો સુધી કામ કરવા માટે આ સિસ્ટમ વિશ્વભરની સ્પેસ એજન્સીઓ માટે વરદાન સાબિત થઈ છે.

આ ટેકનોલોજીનો પાયો વર્ષ ૧૯૫૪ માં માઉન્ડ લેબોરેટરીઝ (Mound Laboratories) ના વૈજ્ઞાનિકો કેનેથ સી. જોર્ડન (Kenneth C. Jordan) અને જોન બર્ડન (John Birden) દ્વારા નાખવામાં આવ્યો હતો. આ શોધ બદલ તેઓને વર્ષ ૨૦૧૩ માં 'નેશનલ ઇન્વેન્ટર્સ હોલ ઓફ ફેમ' માં સ્થાન મળ્યું હતું. ૧ જાન્યુઆરી ૧૯૫૭ થી યુનાઇટેડ સ્ટેટ્સ આર્મી સિગ્નલ કોર્પ્સના કોન્ટ્રાક્ટ હેઠળ પોલોનિયમ-૨૧૦ (polonium-210) નો ઉષ્મા સ્ત્રોત તરીકે ઉપયોગ કરીને થર્મોકપલ્સ વડે સીધી વીજળી બનાવવા પર ગહન સંશોધન શરૂ થયું હતું. યુ.એસ. એટોમિક એનર્જી કમિશન સાથેના કરાર હેઠળ ડો. બર્ટ્રામ સી. બ્લેન્ક (Dr. Bertram C. Blanke) ના નેતૃત્વમાં ઓહાયોના મિયામિસબર્ગ ખાતે પ્રથમ વ્યવહારુ RTG નો વિકાસ થયો હતો.

અવકાશ ક્ષેત્રે પ્રથમ સફર વર્ષ ૧૯૬૧ માં થઈ, જ્યારે અમેરિકાની યુ.એસ. નેવીના Transit 4A સેટેલાઇટમાં SNAP 3B નામનું પ્રથમ RTG લોન્ચ કરવામાં આવ્યું, જેમાં ૯૬ ગ્રામ પ્લુટોનિયમ-૨૩૮ (plutonium-238) મેટલનો ઉપયોગ થયો હતો. આ પછી પૃથ્વી પર અલાસ્કાના ઉજ્જડ ફેયરવે રોક (Fairway Rock) ખાતે ૧૯૬૬ થી ૧૯૯૫ સુધી નેવી દ્વારા RTG નો ભૂમિગત ઉપયોગ થયો. બીજી તરફ, સોવિયેત યુનિયને ૧૯૮૦ના દાયકાના અંત સુધીમાં ઉત્તર ધ્રુવના આર્ક્ટિક સર્કલ વિસ્તારમાં માનવરહિત લાઈટહાઉસ અને નેવિગેશન બીકન્સ ચલાવવા માટે ૧,૦૦૭ જેટલા વિશાળ RTG (જેમાં Beta-M શ્રેણી મુખ્ય હતી) સ્થાપિત કર્યા હતા. વર્ષ ૧૯૯૧ માં સોવિયેત યુનિયનના વિઘટન બાદ ઘણા જનરેટરો બિનવારસી બન્યા હતા, પરંતુ રશિયન અને આંતરરાષ્ટ્રીય પ્રયાસોથી ૨૦૨૧ સુધીમાં આ તમામ એકમોને સુરક્ષિત રીતે ડીકમિશન કરી દેવાયા હતા.

અમેરિકી વાયુસેનાએ પણ અલાસ્કામાં આવેલી 'Top-ROCC' અને 'SEEK IGLOO' રડાર પ્રણાલીઓ માટે સ્ટ્રોન્શિયમ-૯૦ (strontium-90) થી ચાલતા જમીની અને દરિયાઈ તળના ૧૦૦ થી ૧૫૦ જેટલા RTG એકમો ૧૯૭૦ અને ૧૯૮૦ના દાયકામાં તૈનાત કર્યા હતા. એક સમયે તબીબી ક્ષેત્રે પણ હૃદયના પેસમેકર (pacemaker) માં પ્લુટોનિયમની નાની માઇક્રો-બેટરી વાપરવાનો પ્રયોગ ૧ જૂન ૧૯૬૬ ના રોજ માઉન્ડ લેબ દ્વારા શરૂ કરાયો હતો. પરંતુ માનવ શરીરના દહન (cremation) વખતે ન્યુક્લિયર ઇંધણ સુરક્ષિત રહેશે કે નહીં તે શંકાને કારણે ૧૯૭૨ માં આ પ્રોગ્રામ બંધ કરાયો; વર્ષ ૨૦૦૪ માં ૯૦ અને ૨૦૦૭ ના અંત સુધીમાં આવા માત્ર ૯ પેસમેકર વપરાશમાં બચ્યા હતા.

અવકાશ ક્ષેત્રે RTG નો ઉપયોગ અપ્રતિમ રહ્યો છે. નાસાના વિખ્યાત મિશનો જેવા કે Pioneer 10 અને 11, Voyager 1 અને 2, Galileo, Ulysses, Cassini, અને Pluto તરફ ગયેલું New Horizons સંપૂર્ણપણે RTG પાવર પર નિર્ભર હતા. ભવિષ્યમાં શનિના ઉપગ્રહ ટાઇટન પરજનારા Dragonfly મિશનમાં પણ RTG વપરાશે. મૂન લેન્ડિંગ વખતે Apollo 12 થી લઈને Apollo 17 સુધીના તમામ મિશનોમાં સાધનો ચલાવવા SNAP 27 નામના RTG મૂકવામાં આવ્યા હતા. જોકે Apollo 13 મિશન અધવચ્ચેથી કેન્સલ થતાં તેનું RTG દક્ષિણ પેસિફિક મહાસાગરની ટોંગા ટ્રેન્ચ (Tonga Trench) ની ઊંડાઈમાં ગરકાવ થઈ ગયું હતું. મંગળ ગ્રહ પર રોવર ચલાવવા માટે સોલર પેનલના બદલે Curiosity (જેમાં ૪.૮ કિલોગ્રામ પ્લુટોનિયમ-૨૩૮ ડાયોક્સાઇડ છે) અને Perseverance રોવરમાં RTG પસંદ કરાયા જેથી ધૂળના વાવાઝોડા વચ્ચે પણ વર્ષો સુધી કામ ચાલુ રહે.

RTG ની બનાવટ ન્યુક્લિયર ટેકનોલોજીના ધોરણો મુજબ ખૂબ સરળ પરંતુ અતિશય મજબૂત હોય છે. તેના કેન્દ્રમાં એક મજબૂત કન્ટેનર હોય છે જેમાં રેડિયોએક્ટિવ ઇંધણ રાખવામાં આવે છે. આ કન્ટેનરની દિવાલોમાં થર્મોકપલ્સ (thermocouples) બેસાડેલા હોય છે. થર્મોકપલનો અંદરનો છેડો ગરમ ઇંધણ સાથે અને બહારનો છેડો બાહ્ય વાતાવરણ કે રેડિયેટર પાંખો (heat sink) સાથે જોડાયેલો હોય છે. થર્મોકપલ એવું અર્ધવાહક (semiconductor) અથવા ધાતુનું બનેલું સાધન છે જે 'સિબેક ઇફેક્ટ' નામના ભૌતિકશાસ્ત્રના સિદ્ધાંત પર કામ કરે છે. જ્યારે બંધ સર્કિટમાં જોડાયેલા બે ધાતુના જોડાણો (junctions) વચ્ચે તાપમાનનો મોટો તફાવત ઊભો થાય છે, ત્યારે સર્કિટમાં આપોઆપ વીજપ્રવાહ (electric current) વહેવા લાગે છે. ઇચ્છિત વોલ્ટેજ મેળવવા માટે આવા સેંકડો થર્મોકપલ્સને શ્રેણીબદ્ધ (series) જોડવામાં આવે છે.

અહીં એ સમજવું અત્યંત જરૂરી છે કે RTG એ કોઈ ન્યુક્લિયર રિએક્ટર (nuclear reactor) નથી. પરમાણુ મથકો કે સ્પેસમાં વપરાતા રિએક્ટરો (જેમ કે સોવિયેત રશિયાનું BES-5 Buk અથવા અમેરિકાનું SNAP-10A) ન્યુક્લિયર ફિશન (nuclear fission) એટલે કે અણુ વિખંડનની શૃંખલા પ્રક્રિયા (chain reaction) પર કામ કરે છે. તેને ન્યુટ્રોન શોષક કંટ્રોલ રોડ્સ વડે નિયંત્રિત કરી શકાય છે, તેની વીજ ક્ષમતા વધારી-ઘટાડી શકાય છે કે તેને બંધ પણ કરી શકાય છે. તેનાથી વિપરીત, RTG માં કોઈ ચેઇન રિએક્શન થતી નથી. તેમાં માત્ર ઇંધણના પરમાણુઓના સ્વયંભૂ ક્ષય (spontaneous decay) થી ગરમી ઉત્પન્ન થાય છે. આ ગરમીનો દર ઇંધણના અર્ધ-આયુષ્ય (half-life) પર આધાર રાખે છે અને તેને વધારી, ઘટાડી કે બંધ કરી શકાતો નથી. તેથી વધારાની વીજ જરૂરિયાત માટે સહાયક રિચાર્જેબલ બેટરી વાપરવી પડે છે અને લોન્ચિંગ વખતે પણ જનરેટરનું સતત કૂલિંગ કરવું પડે છે. RTG માં મેલ્ટડાઉન કે અણુ ધમાકો શક્ય નથી, પરંતુ રોકેટ ફાટે તો રેડિયોએક્ટિવ પ્રદૂષણનો ભય ચોક્કસ રહે છે.

ઇંધણની પસંદગી કરતી વખતે ખાસ ધ્યાન રાખવું પડે છે. ઇંધણનું અર્ધ-આયુષ્ય (half-life: પદાર્થનો જથ્થો અડધો થવા માટે લાગતો સમય) એટલું લાંબુ હોવું જોઈએ કે તે દાયકાઓ સુધી સમાન દરે ગરમી આપી શકે. અવકાશ મિશનો માટે ઓછા વજન અને ઓછા કદમાં વધુ પાવર આપે (high power density) તેવું ઇંધણ જોઈએ. સાથે જ, ઇંધણમાંથી મુક્ત થતું વિકિરણ મુખ્યત્વે આલ્ફા ક્ષય (alpha decay) પ્રકારનું હોવું જોઈએ. જો બીટા કે ગામા રેડિયેશન હોય તો તેને રોકવા માટે ભારે શીલ્ડિંગ (સીસા કે ભારે ધાતુના પડ) બનાવવું પડે, જે સ્પેસક્રાફ્ટનું વજન વધારી દે છે. પ્લુટોનિયમ-૨૩૮ આ તમામ શરતો પર ખરું ઊતરે છે.

હાલમાં વિશ્વમાં પ્લુટોનિયમ-૨૩૮ ની ભારે અછત હોવાથી વૈજ્ઞાનિકો નવતર સબક્રિટિકલ રિએક્શન (subcritical reactions) વાળા RTG પર કામ કરી રહ્યા છે. વર્ષ ૨૦૧૨ માં નાસાના NSPIRE સ્પર્ધામાં પ્રસ્તાવિત અને ૨૦૧૩ માં ઇડાહો નેશનલ લેબોરેટરીના સેન્ટર ફોર સ્પેસ ન્યુક્લિયર રિચાર્જ (CSNR) દ્વારા અભ્યાસ કરાયેલી આ પ્રણાલીમાં, પ્લુટોનિયમમાંથી નીકળતા આલ્ફા કણોની બેરિલિયમ (beryllium) સાથે પ્રક્રિયા કરાવી ન્યુટ્રોન સ્ત્રોત ઊભો કરાય છે. કન્ટ્રોલ ફેક્ટર Keff < 1 રાખી સબક્રિટિકલ પ્રક્રિયાથી સામાન્ય ફિશન જનરેટ કરાય છે. ફિશન પ્રક્રિયા આલ્ફા ક્ષય (૬ MeV) ની તુલનાએ ૩૦ ગણી વધુ ઊર્જા (૨૦૦ MeV) મુક્ત કરતી હોવાથી આ સિસ્ટમ ઇંધણની કાર્યક્ષમતામાં ૧૦% નો વધારો કરે છે, જેથી પ્લુટોનિયમનો વપરાશ ઘટે છે.

આ ઉપરાંત, અતિ દૂરના તારામંડળો તરફ જવા માટેના આંતરતારાકીય મિશનો (interstellar missions) જેવા કે વર્ષ ૨૦૦૩ થી ચાલી રહેલા 'Innovative Interstellar Explorer' પ્રપોઝલ માટે અમેરિશિયમ-૨૪૧ (241Am) ઇંધણનો પ્રસ્તાવ ૨૦૦૨ માં મુકાયો હતો. અમેરિશિયમનો ક્ષય દર ખૂબ ધીમો હોવાથી તે સ્પેસક્રાફ્ટને ૧,૦૦૦ વર્ષ સુધી ઊર્જા આપી શકે છે. ૧૯૯૯ ના એક પ્રસ્તાવમાં એડવાન્સ્ડ રેડિયોઆઇસોટોપ પાવર સોર્સ (ARPS) ની મદદથી 'રેડિયોઆઇસોટોપ ઇલેક્ટ્રિક પ્રોપલ્શન' (REP) દ્વારા આયન એન્જિન ચલાવવાની વિભાવના રજૂ થઈ હતી. ટેકનોલોજીના આ નવા ક્ષિતિજો બતાવે છે કે માનવજાત જ્યારે સૂર્યમંડળની બહાર અંધારા અક્ષાંશો ખેડવા નીકળશે, ત્યારે આ આણ્વિક હૃદય જ તેના વિજ્ઞાન અને સંપર્ક પ્રણાલીને જીવંત રાખશે.