कृत्रिम उपग्रह आणि अवकाश तंत्रज्ञान

कृत्रिम उपग्रह हे मानवनिर्मित असून ते पृथ्वीभोवती विशिष्ट कक्षांमध्ये परिभ्रमण करतात. उपग्रहाचे कार्य, त्याची भूपृष्ठापासूनची उंची, कक्षेचा आकार (वर्तुळाकार/लंबवर्तुळाकार) आणि विषुववृत्ताशी कोन यानुसार त्याची भ्रमणकक्षा निश्चित केली जाते.

उपग्रहाच्या कक्षेतील वेग (क्रांतिक वेग, \(v_c\))

• संकल्पना: उपग्रहाला त्याच्या निर्धारित कक्षेत टिकवून ठेवण्यासाठी कक्षेच्या स्पर्शरेषेच्या दिशेने दिला जाणारा विशिष्ट वेग.
• सूत्र: जर \(m\) वस्तुमानाचा उपग्रह पृथ्वीच्या केंद्रापासून \(r = R+h\) उंचीवर \(v_c\) चालीने परिभ्रमण करत असेल, तर त्यावर कार्य करणारे अभिकेंद्री बल पृथ्वीच्या गुरुत्वीय बलाने प्रदान केले जाते.
• अभिकेंद्री बल = \(mv_c^2 / (R+h)\)
• गुरुत्वीय बल = \(GMm / (R+h)^2\)
• म्हणून, \(mv_c^2 / (R+h) = GMm / (R+h)^2\)
• \(v_c^2 = GM / (R+h)\)
• \(v_c = \sqrt{GM / (R+h)}\)
• येथे:
• \(G\) = गुरुत्वीय स्थिरांक = \(6.67 \times 10^{-11} \text{ N m}^2/\text{kg}^2\)
• \(M\) = पृथ्वीचे वस्तुमान = \(6 \times 10^{24}\) kg
• \(R\) = पृथ्वीची त्रिज्या = \(6.4 \times 10^6\) m = 6400 km
• \(h\) = उपग्रहाची भूपृष्ठापासून उंची
• \(R+h\) = उपग्रहाच्या भ्रमणकक्षेची त्रिज्या
• महत्त्वाचे निरीक्षण:
• क्रांतिक वेग \(v_c\) हा उपग्रहाच्या वस्तुमानावर अवलंबून नसतो.
• उपग्रह कक्षेची भूपृष्ठापासून उंची वाढल्यास, उपग्रहाचा स्पर्शरेषेतील वेग कमी होत जातो.

भ्रमणकक्षांचे वर्गीकरण (उंचीनुसार)

कृत्रिम उपग्रहाच्या भ्रमणकक्षेच्या भूपृष्ठापासूनच्या उंचीनुसार सर्वसाधारणपणे कक्षांचे वर्गीकरण केले जाते.

1. उच्च कक्षा (High Earth Orbits - HEO):

• उंची: भूपृष्ठापासून \(> 35780\) km.
• वैशिष्ट्ये:
• या कक्षांमध्ये उपग्रहाला पृथ्वीभोवती एक प्रदक्षिणा पूर्ण करण्यास सुमारे 24 तास लागतात.
• पृथ्वीला स्वतःभोवती एक फेरी पूर्ण करण्यासही 24 तास लागतात.
• जर कक्षेची विषुववृत्ताला समांतर असेल, तर पृथ्वीच्या सापेक्ष हा उपग्रह अवकाशात स्थिर असल्याचा भास होतो. अशा उपग्रहांना भूस्थिर उपग्रह (Geosynchronous Satellite) म्हणतात.
• भूस्थिर उपग्रह पृथ्वीच्या एकाच भागाचे सतत निरीक्षण करू शकतात.
• उपयोग: हवामानशास्त्र, दूरध्वनी, दूरचित्रवाणी, आकाशवाणी यांसारख्या संदेशवहनासाठी.

1. मध्यम कक्षा (Medium Earth Orbits - MEO):

• उंची: भूपृष्ठापासून \(2000\) km ते \(35780\) km च्या दरम्यान.
• वैशिष्ट्ये:
• भूस्थिर उपग्रह विषुववृत्ताच्या अगदी वर परिभ्रमण करतात, त्यामुळे ते उत्तर किंवा दक्षिण ध्रुवीय प्रदेशांच्या अभ्यासासाठी उपयुक्त नसतात.
• ध्रुवीय प्रदेशांवरून जाणाऱ्या लंबवर्तुळाकार मध्यम कक्षांना ‘ध्रुवीय कक्षा’ म्हणतात.
• या कक्षांमध्ये उपग्रह जवळपास 2 ते 24 तासात एक प्रदक्षिणा पूर्ण करतो.
• काही उपग्रह सुमारे \(20,200\) km उंचीवर वर्तुळाकार कक्षेत भ्रमण करतात.
• उपयोग: दिशा-दर्शक उपग्रह (Navigational Satellite) या कक्षांमध्ये भ्रमण करतात (उदा. GPS).

1. निम्न कक्षा (Low Earth Orbits - LEO):

• उंची: भूपृष्ठापासून \(180\) km ते \(2000\) km च्या दरम्यान.
• वैशिष्ट्ये:
• या कक्षांमध्ये उपग्रह जवळपास 90 मिनिटात एक परिभ्रमण पूर्ण करतो.
• आंतरराष्ट्रीय अवकाश स्थानक (International Space Station - ISS) आणि हबल दुर्बिण याच प्रकारच्या कक्षांमध्ये परिभ्रमण करतात.
• उपयोग: शास्त्रीय प्रयोगांसाठी, हवामान अभ्यासासाठी, पृथ्वी-निरीक्षक उपग्रह (Earth Observation Satellite).

उपग्रहाचे परिभ्रमण कालावधी (T)

• उपग्रहाने एका प्रदक्षिणेत कापलेले अंतर = कक्षेचा परीघ = \(2\pi r = 2\pi (R+h)\)
• चाल = अंतर / काल \(\implies v_c = 2\pi (R+h) / T\)
• म्हणून, \(T = 2\pi (R+h) / v_c\)

[IMAGE: TODO: कृत्रिम उपग्रहाची भ्रमणकक्षा दर्शवणारी आकृती] [IMAGE: TODO: उपग्रहांच्या विविध कक्षा दर्शवणारी आकृती]

उपग्रह त्यांच्या निर्धारित कक्षांमध्ये स्थापित करण्यासाठी उपग्रह प्रक्षेपकांचा (Satellite Launch Vehicles) उपयोग केला जातो.

कार्यपद्धती

• न्यूटनच्या गतीविषयक तिसऱ्या नियमावर आधारित: प्रत्येक क्रियेला समान व विरुद्ध प्रतिक्रिया असते.
• इंधन ज्वलन: प्रक्षेपकामध्ये विशिष्ट प्रकारचे इंधन वापरले जाते. या इंधनाच्या ज्वलनाने निर्माण होणारा उष्ण वायू प्रचंड वेगाने प्रक्षेपकाच्या शेपटाकडून बाहेर पडतो.
• रेटा (Thrust): वायू बाहेर पडल्याने प्रक्षेपकावर विरुद्ध दिशेने एक 'रेटा' (Thrust) कार्य करतो, ज्यामुळे प्रक्षेपक अवकाशात झेपावतो.

प्रक्षेपकाची रचना

• उपग्रहाचे वजन आणि तो किती उंचीवरील कक्षेत प्रस्थापित करायचा आहे, यानुसार प्रक्षेपकाचा आराखडा ठरतो.
• प्रक्षेपकाला लागणारे इंधनही यावरून ठरते. प्रक्षेपकामध्ये इंधनाचे वजन खूप जास्त असते.

टप्प्याटप्प्याने बनलेले प्रक्षेपक (Multi-stage Rockets)

• गरज: प्रक्षेपक उडवताना इंधनाचे खूप वजनही वाहून न्यावे लागते. हे वजन कमी करण्यासाठी टप्प्याटप्प्याने बनलेले प्रक्षेपक वापरतात.
• कार्य:

1. पहिला टप्पा: उड्डाणासाठी पहिल्या टप्प्यातील इंधन व इंजिन वापरले जाते. ते प्रक्षेपकाला ठराविक वेग व उंची प्राप्त करून देते.
2. टप्पा वेगळा करणे: पहिल्या टप्प्यातील इंधन संपले की, इंधनाची रिकामी टाकी व इंजिन प्रक्षेपकापासून मुक्त होऊन खाली समुद्रात किंवा निर्जन जागी पडते.
3. पुढील टप्पा: पहिल्या टप्प्यातील इंधन संपताच दुसऱ्या टप्प्यातील इंधन प्रज्वलित होते.
4. वजन कमी होणे: आता प्रक्षेपकात फक्त दुसराच टप्पा राहिल्याने त्याचे वजन बरेच कमी होते आणि ते अधिक वेगाने प्रवास करू शकते.

• फायदा: या युक्तीमुळे प्रक्षेपकाने उड्डाण केल्यानंतर टप्प्या-टप्प्याने त्याचे वजन कमी करता येते, ज्यामुळे अधिक वेग मिळवता येतो आणि इंधनाचा कार्यक्षम वापर होतो.
• उदाहरणे: बहुतेक सर्व प्रक्षेपक दोन किंवा अधिक टप्प्यांनी बनलेली असतात. भारताचे PSLV (Polar Satellite Launch Vehicle) हे अशाच प्रकारचे प्रक्षेपक आहे.

प्रक्षेपकाचा खर्च आणि पुनर्वापर

• प्रक्षेपक फार खर्चिक असतात, कारण ते फक्त एकदाच वापरता येतात.
• Space Shuttle (स्पेस शटल): अमेरिकेने विकसित केलेले स्पेस शटल हे पुनर्वापर करण्यायोग्य अवकाशयान आहे. यात फक्त इंधनाची टाकी वाया जाते आणि बाकीचे सर्व भाग पृथ्वीवर परत येतात, जे पुन्हा वापरले जाऊ शकतात.

[IMAGE: TODO: PSLV प्रक्षेपकाचा बाह्य आराखडा] [IMAGE: TODO: स्पेस शटलचे चित्र]

कृत्रिम उपग्रह जीवनाला समृद्ध करण्यासाठी वापरले जातात, तसेच काही अवकाश मोहिमा विश्वाविषयीचे ज्ञान वाढवण्यासाठी राबवल्या जातात. या मोहिमांमध्ये अवकाशयाने सौरमंडळातील इतर घटकांचे जवळून निरीक्षण करण्यासाठी वापरली जातात.

मुक्तिवेग (Escape Velocity, \(v_{esc}\))

• संकल्पना: अवकाशयाने पृथ्वीच्या गुरुत्वीय बलापासून मुक्त होऊन अंतराळात प्रवास करू शकली पाहिजेत. यासाठी एखाद्या वस्तूचा सुरुवातीचा वेग पृथ्वीच्या मुक्तिवेगाहून अधिक असणे आवश्यक असते.
• सूत्र: एखाद्या ग्रहावरील मुक्तिवेग खालील सूत्राने काढता येतो:
• \(v_{esc} = \sqrt{2GM / R}\)
• येथे:
• \(G\) = गुरुत्वीय स्थिरांक = \(6.67 \times 10^{-11} \text{ N m}^2/\text{kg}^2\)
• \(M\) = ग्रहाचे वस्तुमान (पृथ्वीसाठी \(6 \times 10^{24}\) kg)
• \(R\) = ग्रहाची त्रिज्या (पृथ्वीसाठी \(6.4 \times 10^6\) m)
• पृथ्वीसाठी मुक्तिवेग:
• \(v_{esc} = \sqrt{(2 \times 6.67 \times 10^{-11} \times 6 \times 10^{24}) / (6.4 \times 10^6)}\)
• \(v_{esc} \approx 11.18 \times 10^3 \text{ m/s} = 11.18 \text{ km/s}\)
• निष्कर्ष: पृथ्वीच्या गुरुत्वाकर्षणबलापासून मुक्त होऊन अंतराळात प्रवासासाठी, प्रक्षेपकाची गती कमीत कमी \(11.2\) km/s एवढी असणे आवश्यक आहे.

प्रमुख अवकाश मोहिमा

1. चंद्र मोहिमा (Moon Missions):

• पहिली मोहीम: सोव्हियत युनियनने पाठवलेले लुना मालिकेतील अवकाशयान (लुना 2, 1959) चंद्राजवळ पोहोचले.
• मानवरहित मोहिमा: 1959 ते 1976 पर्यंत पाठवलेल्या 15 यानांनी चंद्राचे रासायनिक विश्लेषण, गुरुत्व, घनत्व आणि प्रारणांचे मापन केले. अंतिम 4 यानांनी चंद्रावर उतरून दगडांचे नमुने पृथ्वीवर आणले.
• मानवी मोहिमा: अमेरिकेने 1962 ते 1972 मध्ये मानवी मोहिमा राबवल्या. जुलै 1969 मध्ये नील आर्मस्ट्राँग चंद्रावर पाऊल ठेवणारे पहिले मानव ठरले.
• भारताची मोहीम: 2008 मध्ये ISRO ने चंद्रयान 1 चे यशस्वी प्रक्षेपण केले. या मोहिमेचा सर्वात महत्त्वाचा शोध म्हणजे चंद्रावरील पाण्याचे अस्तित्व, हे शोधून काढणारा भारत हा पहिला देश ठरला.

1. मंगळ मोहिमा (Mars Missions):

• गरज: चंद्रानंतर पृथ्वीला दुसरी जवळची खगोलीय वस्तू म्हणजे मंगळ. ही मोहीम अवघड असल्याने जवळजवळ अर्ध्या मोहिमा यशस्वी झाल्या नाहीत.
• भारताची मोहीम: ISRO ने नोव्हेंबर 2013 मध्ये प्रक्षेपित केलेले मंगलयान सप्टेंबर 2014 मध्ये मंगळाच्या कक्षेत प्रस्थापित झाले. याने मंगळाचा पृष्ठभाग व वायुमंडल याबद्दल महत्त्वाची माहिती मिळवली. कमी खर्चात यशस्वी मोहीम हे भारताचे मोठे यश आहे.

1. इतर ग्रहांच्या मोहिमा:

• इतर ग्रहांचा अभ्यास करण्यासाठी अनेक मोहिमा राबवल्या आहेत.
• काही यानांनी ग्रहांची परिक्रमा केली, काही ग्रहांवर उतरली तर काही ग्रहांच्या जवळून निरीक्षण करून पुढे गेली.
• लघुग्रह व धूमकेतू अभ्यासण्यासाठीही अवकाशयाने पाठवली गेली आहेत. लघुग्रहावरील धूलिकण व दगड पृथ्वीवर आणण्यात यश मिळाले आहे.
• या मोहिमांमुळे सूर्यमालेच्या उत्पत्ती व उत्क्रांतीविषयीच्या कल्पना अधिक स्पष्ट होत आहेत.

भारतीय अंतराळवीर

• राकेश शर्मा: अंतराळात जाणारे पहिले भारतीय. भारत-रशिया संयुक्त अवकाश कार्यक्रमांतर्गत दोन रशियन अंतराळ संशोधकांसमवेत अवकाशात झेप घेतली. 8 दिवस अंतराळात वास्तव्य केले.
• कल्पना चावला: पंजाबमधून एरोनॉटिक्सची अभियांत्रिकी पदवी. 1988 मध्ये कोलोराडो विद्यापीठातून डॉक्टरेट. संशोधन मोहिमेदरम्यान 336 तास अंतराळात. 1 फेब्रुवारी 2003 ला कोलंबिया अवकाशयानाचा स्फोट झाल्याने मृत्यू झाला.
• सुनीता विल्यम्स: 2006 मध्ये डिस्कव्हरीमधून प्रथम अंतराळात International Space Station (ISS) येथे प्रवास केला. 29 तास शटल बाहेर काम केले. 192 दिवस अवकाशात राहण्याचा विक्रम केला.

कृत्रिम उपग्रहांबरोबरच इतरही मानवनिर्मित वस्तू पृथ्वीभोवती परिभ्रमण करत आहेत. यांना अवकाशातील कचरा (Space Debris) म्हणतात.

अवकाशातील कचऱ्याचे प्रकार

• आता कार्यशील नसलेले उपग्रह (निष्क्रिय उपग्रह).
• प्रक्षेपणाच्या वेळी सुटे झालेले प्रक्षेपकांचे भाग (उदा. इंधनाच्या रिकाम्या टाक्या, इंजिनचे भाग).
• एखादा उपग्रह दुसऱ्या एखाद्या उपग्रहावर किंवा अवकाशातील इतर वस्तूवर आदळल्यामुळे निर्माण होणारे तुकडे.

कचऱ्याची व्याप्ती

• 2016 च्या एका अंदाजानुसार, 1 सेमीहून जास्त लांबीचे सुमारे 2 कोटी तुकडे पृथ्वीभोवती परिभ्रमण करत आहेत.

धोके

• हा कचरा कृत्रिम उपग्रहांसाठी धोकादायक ठरू शकतो.
• उपग्रहांवर व इतर अवकाशयानांवर आदळून तो त्यांना हानी पोहोचवू शकतो.
• हा कचरा दिवसेंदिवस वाढत चालला आहे, ज्यामुळे नवीन अवकाशयानांचे प्रक्षेपण कठीण होऊन बसेल.

व्यवस्थापनाची गरज

• या कचऱ्याचे व्यवस्थापन करणे अत्यंत गरजेचे आहे.
• या दृष्टीने काही पद्धतींचे अध्ययन व काही प्रयोग करण्यात येत आहेत.
• या समस्येवर उपाय शोधणे महत्त्वाचे आहे, जेणेकरून उपग्रह व अवकाशयानांचे भवितव्य धोक्यात येणार नाही.

अवकाश संशोधन संस्था व प्रक्षेपण केंद्रे (भारतातील)

• अवकाश संशोधन संस्था:

1. विक्रम साराभाई अवकाश केंद्र, तिरुवनंतपुरम.
2. सतीश धवन अंतराळ संशोधन केंद्र, श्रीहरीकोटा.
3. स्पेस ॲप्लिकेशन सेंटर, अहमदाबाद.

• अग्निबाण प्रक्षेपण केंद्रे:

1. थुंबा, तिरुवनंतपुरम.
2. श्रीहरीकोटा.
3. चांदीपूर (ओडिशा).

भारताने अवकाश तंत्रज्ञानात अभिमानास्पद प्रगती केली आहे, ज्याचे राष्ट्रीय व सामाजिक विकासात मोठे योगदान आहे.

भारतीय अंतराळ कार्यक्रमाचे जनक

• विक्रम साराभाई यांना भारतीय अंतराळ कार्यक्रमांचे जनक म्हटले जाते.
• त्यांच्या प्रयत्नांतून फिजिकल रिसर्च लॅबोरेटरी (PRL) ची स्थापना झाली.
• 1962 साली भारत सरकारने त्यांच्या अध्यक्षतेखाली 'भारतीय अंतराळ संशोधन समिती'ची स्थापना केली.
• 1963 साली देशातील पहिले उपग्रह प्रक्षेपण केंद्र थुंबा येथे स्थापन केले गेले.
• भारताचा पहिला उपग्रह आर्यभट्ट अंतराळात सोडण्यात त्यांचे महत्त्वाचे योगदान होते.
• भारतीय अंतराळ संशोधन संस्थेच्या (ISRO) स्थापनेत त्यांचे महत्त्वाचे योगदान होते.

भारताचे प्रक्षेपक

• भारताने प्रक्षेपकांच्या विज्ञान व तंत्रज्ञानात खूप प्रगती केली आहे.
• 2500 kg वजनापर्यंतचे उपग्रह सर्व प्रकारच्या कक्षांमध्ये प्रस्थापित करू शकणारे प्रक्षेपक तयार केले आहेत.
• PSLV (Polar Satellite Launch Vehicle) आणि GSLV (Geosynchronous Satellite Launch Vehicle) हे प्रमुख भारतीय प्रक्षेपक आहेत.

भारतीय उपग्रह मालिका आणि त्यांचे उपयोग

| उपग्रहाचा प्रकार | उपग्रहाचे कार्य | भारताच्या उपग्रहमालिकांची व प्रक्षेपकांची नावे | |---|---|---| | हवामान उपग्रह (Weather Satellite) | हवामानाचा अभ्यास व हवामानाचा अंदाज वर्तवणे. | INSAT व GSAT (प्रक्षेपक: GSLV) | | दळणवळण उपग्रह (Communication Satellite) | जगभरातील वेगवेगळ्या प्रदेशांमध्ये विशिष्ट लहरींद्वारे संपर्क प्रस्थापित करणे. | INSAT व GSAT (प्रक्षेपक: GSLV) | | ध्वनी-चित्र प्रक्षेपक उपग्रह (Broadcast Satellite) | दूरचित्रवाणी कार्यक्रम प्रक्षेपित करणे. | INSAT व GSAT (प्रक्षेपक: GSLV) | | दिशादर्शक उपग्रह (Navigational Satellite) | पृथ्वीवरील कुठल्याही ठिकाणाचे भौगोलिक स्थान (अक्षांश व रेखांश) निश्चित करणे. | IRNSS (प्रक्षेपक: PSLV) | | सैनिकी उपग्रह (Military Satellite) | संरक्षण दृष्टिकोनातून भूप्रदेशावरील माहिती संकलन करणे. | (विशिष्ट नावे सार्वजनिक नाहीत) | | पृथ्वी-निरीक्षक उपग्रह (Earth Observation Satellite) | पृथ्वीच्या पृष्ठभागावरील जंगले, वाळवंटे, सागर, ध्रुव प्रदेशावरील बर्फ यांचा अभ्यास; नैसर्गिक संसाधनांचा शोध व व्यवस्थापन; नैसर्गिक आपत्तींमध्ये (महापूर, ज्वालामुखी उद्रेक) निरीक्षण व मार्गदर्शन करणे. | IRS (प्रक्षेपक: PSLV) |

सामाजिक विकासामध्ये योगदान

• दूरसंचार, दूरचित्रवाणी प्रसारण, हवामानशास्त्र सेवा: INSAT व GSAT उपग्रह मालिका कार्यरत आहेत. यामुळे देशात सर्वत्र दूरचित्रवाणी, दूरध्वनी आणि इंटरनेट सेवा उपलब्ध होऊ शकली आहे.
• शिक्षण: याच मालिकेतील EDUSAT उपग्रह फक्त शिक्षण क्षेत्रासाठी वापरला जातो.
• नैसर्गिक संसाधनांचे नियंत्रण व व्यवस्थापन, आपत्ती व्यवस्थापन: IRS उपग्रहमालिका कार्यरत आहे.
• भौगोलिक स्थान निश्चिती: IRNSS ही उपग्रह मालिका प्रस्थापित केली आहे.