ಕ್ರಯೋಜೆನಿಕ್ ಮತ್ತು ಅತಿ-ಕಡಿಮೆ ತಾಪಮಾನ ತಂತ್ರಜ್ಞಾನಗಳು: 20 mK ಡೈಲ್ಯೂಷನ್ ರೆಫ್ರಿಜರೇಟರ್, ರಾಷ್ಟ್ರೀಯ ಕ್ವಾಂಟಮ್ ಮಿಷನ್ ಮತ್ತು ಸಂಪೂರ್ಣ ಮಾಹಿತಿ

ನವದೆಹಲಿ: ಬಾಹ್ಯಾಕಾಶ ಪರಿಶೋಧನೆ, ರಕ್ಷಣಾ ವ್ಯವಸ್ಥೆ, ಪರಮಾಣು ಸಂಶೋಧನೆ ಹಾಗೂ ಮುಂದಿನ ತಲೆಮಾರಿನ ಕ್ವಾಂಟಮ್ ಕಂಪ್ಯೂಟಿಂಗ್ ತಂತ್ರಜ್ಞಾನಗಳಲ್ಲಿ ಕ್ರಯೋಜೆನಿಕ್ಸ್ ಅತ್ಯಂತ ನಿರ್ಣಾಯಕ ಪಾತ್ರ ವಹಿಸುತ್ತಿದೆ. ಸಾಮಾನ್ಯ ತಾಪಮಾನದಲ್ಲಿ ಕಾರ್ಯನಿರ್ವಹಿಸದ ಸೂಪರ್‌ಕಂಡಕ್ಟಿಂಗ್ ಸರ್ಕ್ಯೂಟ್‌ಗಳು ಮತ್ತು ಕ್ವಾಂಟಮ್ ಕ್ಯೂಬಿಟ್‌ಗಳನ್ನು ಸ್ಥಿರವಾಗಿಡಲು ಅತಿ-ಕಡಿಮೆ ತಾಪಮಾನ (Millikelvin range) ಅನಿವಾರ್ಯ.

೨೦೨೬ ರ ಸೆಪ್ಟೆಂಬರ್ ೨೪ ರಂದು, ರಕ್ಷಣಾ ಸಂಶೋಧನೆ ಮತ್ತು ಅಭಿವೃದ್ಧಿ ಸಂಸ್ಥೆಯು (DRDO) ತನ್ನ ತಂತ್ರಜ್ಞಾನ ಅಭಿವೃದ್ಧಿ ನಿಧಿ (TDF – Technology Development Fund) ಯೋಜನೆಯಡಿ ‘ಜೀರೋ ಎಂಕೆ ಇಂಡಿಯಾ ಪ್ರೈವೇಟ್ ಲಿಮಿಟೆಡ್’ (Zero mK India Pvt Ltd) ಜೊತೆಗೆ ದೇಶೀಯವಾಗಿ ೨೦ ಮಿಲ್ಲಿಕೆಲ್ವಿನ್ (20 mK) ಡೈಲ್ಯೂಷನ್ ರೆಫ್ರಿಜರೇಟರ್ ಅನ್ನು ಅಭಿವೃದ್ಧಿಪಡಿಸಲು ತನ್ನ ಮೊದಲ ಉನ್ನತ ಮೌಲ್ಯದ ಡೀಪ್-ಟೆಕ್ ಒಪ್ಪಂದಕ್ಕೆ ಸಹಿ ಹಾಕಿದೆ. ಇದು ₹೫೦೦ ಕೋಟಿ ಡೀಪ್-ಟೆಕ್ ನಿಧಿಯ ಭಾಗವಾಗಿದ್ದು, ಭಾರತದ ರಾಷ್ಟ್ರೀಯ ಕ್ವಾಂಟಮ್ ಮಿಷನ್ (NQM) ಗುರಿಗಳಿಗೆ ಬಲವಾದ ಬೆಂಬಲ ನೀಡಲಿದೆ.

೧. ಕ್ರಯೋಜೆನಿಕ್ಸ್ (Cryogenics) ಎಂದರೇನು?

• ವ್ಯಾಖ್ಯಾನ: ಭೌತಶಾಸ್ತ್ರ ಮತ್ತು ಎಂಜಿನಿಯರಿಂಗ್‌ನಲ್ಲಿ ಅತಿ-ಕಡಿಮೆ ತಾಪಮಾನಗಳ ಉತ್ಪಾದನೆ ಹಾಗೂ ಆ ತಾಪಮಾನಗಳಲ್ಲಿ ವಸ್ತುಗಳ ವರ್ತನೆಯನ್ನು ಅಧ್ಯಯನ ಮಾಡುವ ವಿಭಾಗವೇ ಕ್ರಯೋಜೆನಿಕ್ಸ್. ಸಾಮಾನ್ಯವಾಗಿ -೧೫೦°C ಗಿಂತ ಕಡಿಮೆ (ಅಥವಾ ೧೨೩ ಕೆಲ್ವಿನ್‌ಗಿಂತ ಕಡಿಮೆ) ತಾಪಮಾನವನ್ನು ಕ್ರಯೋಜೆನಿಕ್ ವ್ಯಾಪ್ತಿ ಎಂದು ಕರೆಯಲಾಗುತ್ತದೆ.

• ಪರಮ ಶೂನ್ಯ ತಾಪಮಾನ (Absolute Zero): ಸೈದ್ಧಾಂತಿಕವಾಗಿ ಸಂಭವಿಸಬಹುದಾದ ಅತ್ಯಂತ ಕನಿಷ್ಠ ತಾಪಮಾನ 0 ಕೆಲ್ವಿನ್ (0 K ಅಥವಾ -೨೭೩.೧೫°C). ಈ ಸ್ಥಿತಿಯಲ್ಲಿ ಅಣುಗಳ ಚಲನ ಶಕ್ತಿ ಸಂಪೂರ್ಣವಾಗಿ ಸ್ಥಗಿತಗೊಳ್ಳುತ್ತದೆ.

• ಮಿಲ್ಲಿಕೆಲ್ವಿನ್ (mK): ೧ ಕೆಲ್ವಿನ್‌ನ ೧/೧೦೦೦ ಭಾಗ ($10^{-3}\text{ K}$). ಕ್ವಾಂಟಮ್ ಕಂಪ್ಯೂಟರ್‌ಗಳ ಕ್ಯೂಬಿಟ್‌ಗಳು ಶಬ್ದ ಮತ್ತು ಉಷ್ಣತೆಯ ಅಡಚಣೆಯಿಲ್ಲದೆ ಕಾರ್ಯನಿರ್ವಹಿಸಲು ಮಿಲ್ಲಿಕೆಲ್ವಿನ್ ಮಟ್ಟದ ಪರಿಸರ ಅಗತ್ಯ.

೨. ಅತಿ-ಕಡಿಮೆ ತಾಪಮಾನ ಉತ್ಪಾದನೆಯ ಪ್ರಮುಖ ವೈಜ್ಞಾನಿಕ ತತ್ವಗಳು:

1. ಜೌಲ್-ಥಾಮ್ಸನ್ ಪರಿಣಾಮ (Joule-Thomson Effect):

   • ನೈಜ ಅನಿಲವೊಂದು (Non-ideal gas) ಹೆಚ್ಚಿನ ಒತ್ತಡದ ಪ್ರದೇಶದಿಂದ ರಂಧ್ರಯುಕ್ತ ಪ್ಲಗ್ ಅಥವಾ ವಾಲ್ವ್ ಮೂಲಕ ಕಡಿಮೆ ಒತ್ತಡದ ಪ್ರದೇಶಕ್ಕೆ ವ್ಯಾಕೋಚನಗೊಂಡಾಗ (Expansion) ಅದರ ತಾಪಮಾನ ತಕ್ಷಣ ಕುಸಿಯುತ್ತದೆ.

   • ಆಮ್ಲಜನಕ ಮತ್ತು ಸಾರಜನಕ ಅನಿಲಗಳನ್ನು ದ್ರವೀಕರಿಸುವ (Liquefaction) ಕೈಗಾರಿಕಾ ಸ್ಥಾವರಗಳಲ್ಲಿ ಈ ತತ್ವವನ್ನು ವ್ಯಾಪಕವಾಗಿ ಬಳಸಲಾಗುತ್ತದೆ.

2. ಸ್ಥಿರೋಷ್ಣ ಅಪಕಾಂತೀಕರಣ (Adiabatic Demagnetization):

   • ೧ ಕೆಲ್ವಿನ್‌ಗಿಂತ ಕಡಿಮೆ ತಾಪಮಾನವನ್ನು ತಲುಪಲು ಈ ವಿಧಾನ ಬಳಕೆಯಾಗುತ್ತದೆ. ಇದರಲ್ಲಿ ಪ್ಯಾರಾಮ್ಯಾಗ್ನೆಟಿಕ್ ವಸ್ತುವನ್ನು ಮೊದಲು ಕಾಂತೀಕರಿಸಿ, ನಂತರ ಬಾಹ್ಯ ಶಾಖ ವಿನಿಮಯವಿಲ್ಲದೆ ಇದ್ದಕ್ಕಿದ್ದಂತೆ ಅಪಕಾಂತೀಕರಣಗೊಳಿಸಿದಾಗ ಉಷ್ಣತೆ ಗಣನೀಯವಾಗಿ ಇಳಿಯುತ್ತದೆ.

3. ಡೈಲ್ಯೂಷನ್ ರೆಫ್ರಿಜರೇಷನ್ (Dilution Refrigeration):

   • ಇದು ಹೀಲಿಯಂನ ಎರಡು ಸಮಸ್ಥಾನಿಗಳಾದ (Isotopes) ಹೀಲಿಯಂ-೩ ($^3He$) ಮತ್ತು ಹೀಲಿಯಂ-೪ ($^4He$) ಮಿಶ್ರಣವನ್ನು ಬಳಸುತ್ತದೆ.

   • ಹೀಲಿಯಂ-೩ ಪರಮಾಣುಗಳು ಹೀಲಿಯಂ-೪ ಭರಿತ ಹಂತಕ್ಕೆ ಕರಗುವಾಗ (Dilution) ಶಾಖವನ್ನು ಹೀರಿಕೊಳ್ಳುತ್ತವೆ. ಈ ಪ್ರಕ್ರಿಯೆಯು ನಿರಂತರವಾಗಿ ಮಿಲ್ಲಿಕೆಲ್ವಿನ್ ಶ್ರೇಣಿಯ (ಉದಾ: 10 mK ನಿಂದ 20 mK) ತಾಪಮಾನವನ್ನು ಉತ್ಪಾದಿಸುತ್ತದೆ.

೩. ಕ್ರಯೋಜೆನಿಕ್ ಇಂಧನಗಳು ಮತ್ತು ಬಾಹ್ಯಾಕಾಶ ತಂತ್ರಜ್ಞಾನ:

ರಾಕೆಟ್ ಎಂಜಿನ್‌ಗಳಲ್ಲಿ ದ್ರವೀಕೃತ ಅನಿಲಗಳನ್ನು ಅವುಗಳ ಹೆಚ್ಚಿನ ‘ಸ್ಪೆಸಿಫಿಕ್ ಇಂಪಲ್ಸ್’ (Specific Impulse – ಪ್ರತಿ ಯೂನಿಟ್ ತೂಕಕ್ಕೆ ಉತ್ಪತ್ತಿಯಾಗುವ ಹೆಚ್ಚಿನ ನೋದನ ಬಲ) ಗಾಗಿ ಬಳಸಲಾಗುತ್ತದೆ:

ಕ್ರಯೋಜೆನಿಕ್ ಇಂಧನದ್ರವೀಕರಣ ತಾಪಮಾನ (ಕುದಿಯುವ ಬಿಂದು)ಪಾತ್ರ ಮತ್ತು ವೈಶಿಷ್ಟ್ಯದ್ರವ ಹೈಡ್ರೋಜನ್ ($LH_2$)-೨೫೩°C (೨೦ K)ಮುಖ್ಯ ರಾಕೆಟ್ ಇಂಧನ; ಅತಿ ಕಡಿಮೆ ಅಣುತೂಕ ಮತ್ತು ಗರಿಷ್ಠ ದಹನ ಸಾಮರ್ಥ್ಯ.ದ್ರವ ಆಮ್ಲಜನಕ ($LOX$)-೧೮೩°C (೯೦ K)ಪ್ರಮುಖ ಆಕ್ಸಿಡೈಜರ್ (ಉತ್ಕರ್ಷಕ); ಹೈಡ್ರೋಜನ್ ಅಥವಾ ಸೀಮೆಎಣ್ಣೆ ಜೊತೆ ಬಳಕೆ.ದ್ರವ ಮೀಥೇನ್ ($CH_4$)-೧೬೧°C (೧೧೨ K)ಮರುಬಳಕೆಯ ರಾಕೆಟ್‌ಗಳಲ್ಲಿ ಜನಪ್ರಿಯವಾಗುತ್ತಿರುವ ಇಂಧನ (ಮೆಥಲಾಕ್ಸ್).ದ್ರವೀಕೃತ ನೈಸರ್ಗಿಕ ಅನಿಲ (LNG)-೧೬೨°Cಸಂಪುಟವನ್ನು ೬೦೦ ಪಟ್ಟು ಕಡಿಮೆ ಮಾಡಿ ಹಡಗುಗಳಲ್ಲಿ ಸಾಗಿಸಲು ಸೂಕ್ತ.

೪. ಭಾರತದ ಬೆಳವಣಿಗೆಗಳು: ಇಸ್ರೋ, ಡಿಆರ್‌ಡಿಒ ಮತ್ತು ರಾಷ್ಟ್ರೀಯ ಕ್ವಾಂಟಮ್ ಮಿಷನ್:

• ಇಸ್ರೋ (ISRO) ಕ್ರಯೋಜೆನಿಕ್ ಎಂಜಿನ್‌ಗಳು:

  • ಭಾರತವು ಜಿಎಸ್‌ಎಲ್‌ವಿ (GSLV) ರಾಕೆಟ್‌ಗಳಿಗಾಗಿ ಸಂಪೂರ್ಣ ಸ್ವದೇಶಿ CE-7.5 ಮತ್ತು LVM3 ಗಾಗಿ ಶಕ್ತಿಶಾಲಿ CE-20 ಕ್ರಯೋಜೆನಿಕ್ ಎಂಜಿನ್‌ಗಳನ್ನು ಮಹೇಂದ್ರಗಿರಿಯ ಲಿಕ್ವಿಡ್ ಪ್ರೊಪಲ್ಷನ್ ಸಿಸ್ಟಮ್ಸ್ ಸೆಂಟರ್ (LPSC) ನಲ್ಲಿ ಅಭಿವೃದ್ಧಿಪಡಿಸಿದೆ.

• ಡಿಆರ್‌ಡಿಒ ಮತ್ತು ಎಸ್‌ಎಸ್‌ಪಿಎಲ್ (SSPL):

  • ರಕ್ಷಣಾ ಸಚಿವಾಲಯದ ವ್ಯಾಪ್ತಿಯಲ್ಲಿರುವ ಸಾಲಿಡ್ ಸ್ಟೇಟ್ ಫಿಸಿಕ್ಸ್ ಲ್ಯಾಬೊರೇಟರಿ (SSPL, ನವದೆಹಲಿ) ಕಾರ್ಯತಂತ್ರದ ರಕ್ಷಣಾ ಸಾಧನಗಳು ಮತ್ತು ಅತಿ-ಕಡಿಮೆ ತಾಪಮಾನದ ವಸ್ತುಗಳ ಸಂಶೋಧನೆಯಲ್ಲಿ ತೊಡಗಿದೆ. ಇದರ ನಿರ್ದೇಶಕರಾಗಿ ಡಾ. ಮೀನಾ ಮಿಶ್ರಾ (ಅಕ್ಟೋಬರ್ ೧, ೨೦೨೩ ರಿಂದ) ಕಾರ್ಯನಿರ್ವಹಿಸುತ್ತಿದ್ದಾರೆ.

  • TDF ಯೋಜನೆಯಡಿ ₹೫೦೦ ಕೋಟಿ ಡೀಪ್-ಟೆಕ್ ನಿಧಿಯ ಮೂಲಕ ಸ್ವದೇಶಿ 20 mK ಡೈಲ್ಯೂಷನ್ ರೆಫ್ರಿಜರೇಟರ್ ನಿರ್ಮಾಣ ಯೋಜನೆಗೆ ಚಾಲನೆ ನೀಡಲಾಗಿದೆ.

• ರಾಷ್ಟ್ರೀಯ ಕ್ವಾಂಟಮ್ ಮಿಷನ್ (National Quantum Mission – NQM):

  • ಕೇಂದ್ರ ಸಚಿವ ಸಂಪುಟವು ೨೦೨೩ ರ ಏಪ್ರಿಲ್ ೧೯ ರಂದು ಅನುಮೋದಿಸಿತು.

  • ಒಟ್ಟು ಬಜೆಟ್: ₹೬,೦೦೩.೬೫ ಕೋಟಿ (೨೦೨೩–೨೪ ರಿಂದ ೨೦೩೦–೩೧ ರವರೆಗೆ).

  • ಉದ್ದೇಶ: ೫೦ ರಿಂದ ೧,೦೦೦ ಭೌತಿಕ ಕ್ಯೂಬಿಟ್‌ಗಳ ಸಾಮರ್ಥ್ಯದ ಸೂಪರ್‌ಕಂಡಕ್ಟಿಂಗ್ ಕ್ವಾಂಟಮ್ ಕಂಪ್ಯೂಟರ್‌ಗಳ ಅಭಿವೃದ್ಧಿ, ಕ್ವಾಂಟಮ್ ಸಂವಹನ, ಮತ್ತು ಅತಿ-ಕಡಿಮೆ ತಾಪಮಾನದ ಡೈಲ್ಯೂಷನ್ ರೆಫ್ರಿಜರೇಟರ್‌ಗಳ ದೇಶೀಯ ಉತ್ಪಾದನೆ.

೫. ಇತರ ಕ್ಷೇತ್ರಗಳಲ್ಲಿ ಕ್ರಯೋಜೆನಿಕ್ಸ್ ಅನ್ವಯಿಕೆಗಳು:

• ವೈದ್ಯಕೀಯ ಕ್ಷೇತ್ರ:

  • ಎಂಆರ್‌ಐ (MRI): ಮ್ಯಾಗ್ನೆಟಿಕ್ ರೆಸೋನೆನ್ಸ್ ಇಮೇಜಿಂಗ್ ಯಂತ್ರಗಳಲ್ಲಿನ ಸೂಪರ್‌ಕಂಡಕ್ಟಿಂಗ್ ಆಯಸ್ಕಾಂತಗಳನ್ನು ತಂಪಾಗಿಸಲು ದ್ರವ ಹೀಲಿಯಂ (-೨೬೯°C) ಬಳಕೆ.

  • ಕ್ರಯೋಸರ್ಜರಿ (Cryosurgery): ಅತಿಯಾದ ಶೀತದಿಂದ ರೋಗಗ್ರಸ್ತ ಅಥವಾ ಕ್ಯಾನ್ಸರ್ ಕೋಶಗಳನ್ನು ನಾಶಪಡಿಸುವುದು.

  • ಕ್ರಯೋಪ್ರಿಸರ್ವೇಶನ್: ರಕ್ತ, ಜೀವಕೋಶಗಳು ಮತ್ತು ಭ್ರೂಣಗಳನ್ನು ದ್ರವ ಸಾರಜನಕದಲ್ಲಿ (-೧೯೬°C) ದೀರ್ಘಕಾಲ ಸಂರಕ್ಷಿಸಿಡುವುದು.

• ಆಹಾರ ಸಂಸ್ಕರಣೆ: ದ್ರವ ಸಾರಜನಕದ ಮೂಲಕ ‘ಫ್ಲ್ಯಾಶ್ ಫ್ರೀಜಿಂಗ್’ (Flash Freezing) ಮಾಡಿ ಆಹಾರದ ತಾಜಾತನ ಮತ್ತು ಪೋಷಕಾಂಶ ರಕ್ಷಣೆ.

ಪರೀಕ್ಷಾ ದೃಷ್ಟಿಯಿಂದ ಪ್ರಮುಖಾಂಶಗಳು (Quick Revision Matrix):

ಪರೀಕ್ಷಾ ದೃಷ್ಟಿಯಿಂದ ಪ್ರಮುಖಾಂಶಗಳು (Quick Revision Matrix):

ಪರಿಕಲ್ಪನೆ / ನಿಯತಾಂಕವಿವರಣೆ / ಪರೀಕ್ಷಾ ಮುಖ್ಯಾಂಶಕ್ರಯೋಜೆನಿಕ್ಸ್ ವ್ಯಾಪ್ತಿಸಾಮಾನ್ಯವಾಗಿ -೧೫೦°C ಗಿಂತ ಕಡಿಮೆ (೧೨೩ K ಗಿಂತ ಕಡಿಮೆ) ತಾಪಮಾನ.ಪರಮ ಶೂನ್ಯ (Absolute Zero)0 K ಅಥವಾ -೨೭೩.ಜೌಲ್-ಥಾಮ್ಸನ್ ಪರಿಣಾಮಅನಿಲ ವ್ಯಾಕೋಚನಗೊಂಡಾಗ ತಂಪಾಗುವ ಪ್ರಕ್ರಿಯೆ (ಅನಿಲ ದ್ರವೀಕರಣಕ್ಕೆ ಬಳಕೆ).ಡೈಲ್ಯೂಷನ್ ರೆಫ್ರಿಜರೇಟರ್ಹೀಲಿಯಂ-೩ ಮತ್ತು ಹೀಲಿಯಂ-೪ ಮಿಶ್ರಣದಿಂದ ಮಿಲ್ಲಿಕೆಲ್ವಿನ್ (mK) ತಾಪಮಾನ ಉತ್ಪಾದನೆ.ದ್ರವ ಹೈಡ್ರೋಜನ್ ($LH_2$) ಸಂಗ್ರಹ-೨೫೩°C (೨೦ K) – ಅತ್ಯುನ್ನತ ದಕ್ಷತೆಯ ರಾಕೆಟ್ ಇಂಧನ.ದ್ರವ ಆಮ್ಲಜನಕ ($LOX$) ಸಂಗ್ರಹ-೧೮೩°C (೯೦ K) – ರಾಕೆಟ್ ಆಕ್ಸಿಡೈಜರ್.ರಾಷ್ಟ್ರೀಯ ಕ್ವಾಂಟಮ್ ಮಿಷನ್ (NQM)ಅನುಮೋದನೆ: ೧೯ ಏಪ್ರಿಲ್ ೨೦೨೩; ಬಜೆಟ್: ₹೬,೦೦೩.SSPL (DRDO)ಸಾಲಿಡ್ ಸ್ಟೇಟ್ ಫಿಸಿಕ್ಸ್ ಲ್ಯಾಬೊರೇಟರಿ; ನಿರ್ದೇಶಕರು: ಡಾ.ಇತ್ತೀಚಿನ TDF ಒಪ್ಪಂದ (೨೦೨೬)DRDO ಮತ್ತು ಜೀರೋ ಎಂಕೆ ಇಂಡಿಯಾ ನಡುವೆ 20 mK ಡೈಲ್ಯೂಷನ್ ರೆಫ್ರಿಜರೇಟರ್ ದೇಶೀಯ ಅಭಿವೃದ್ಧಿ (೨೪ ಸೆಪ್ಟೆಂಬರ್ ೨೦೨೬).