Ancak ne kadar verimli olsalar’da yarattıkları itkinin (thrust) düşük olması
onları, küçük uydulardan çok daha fazla kütlenin taşınmasını gerektiren ve
uzak gezegenlere yıllarca değil aylarca, hatta haftalarca sürmesi umulan
insanlı görevler için pek çekici kılmaz. Neyse ki insanın hayal gücü ve
yaratıcılığı sınır tanımıyor. Bugün laboratuvarlarda denenmekte olan VASIMR
plazma iticileri, yakın gelecekte nükleer bir reaktörden alacağı elektrik ile,
şu anda 6-8 ay sürmesi planlanan Mars yolculuğunu 39 güne indirebilir. Bir
zamanlar Kolomb’un, ilk keşif yolculuğunun 34 gün sürdüğü düşünülürse, bir
gezegene 39 günlük seyahat kulağa güzel geliyor.
Elektromanyetik itki sistemleri, temelde plazma üretimini ve güçlü
elektromanyetik alanlar yardımıyla bu plazmanın hızlandırılıp püskürtülmesini
esas alır. Xenon gibi iletken ve atom numarası büyük bir yakıt, birinci bölüme
enjekte edilir. Buradaki elektriksel ve manyetik sahalara yakalanan yakıt,
iyonize edilerek plazmaya dönüştürülür. Ardından manyetik alanlar sayesinde
hızlandırılır. Motor içindeki manyetik alan yönünde hızlanmaya devam eden
plazmanın ısısı ve yoğunluğu manyetik alan ile doğru orantılıdır.
Elektromanyetik itki sistemleri birbirlerinden önemli ölçüde farklılık
gösteren modellere sahiptir. Dilerseniz, bunların üstünden geçip şu anki
durumlarını ve gelecekte ki kullanım alanlarını inceleyelim.
HDLT (Helicon Double-Layer Thruster – Helikon Çift-Tabakalı İtici)
Bu elektromanyetik iticiye ismini veren elektriksel çift tabaka, bir yüzeyde
ki elektrik potansiyelindeki farklılıklar sonucu, yüzeyin zıt yüklü iyonların
difüz tabakası ile kaplanması sonucu oluşur.
HDT (Helikon Çift-Tabakalı İtici)
Avustralya Ulusal Üniversitesinde geliştirilen ve şu anda Avrupa Uzay Ajansı
ESA tarafından desteklenen bu teknoloji, bir bölmeye enjekte edilen gaz
haldeki yakıtın önce elektromanyetik dalgalara ve ardından helikon dalgalarına
(düşük frekanslı elektromanyetik dalga) maruz bırakılarak plazmaya
dönüştürülmesi ve elektriksel çift-tabaka bölümünde elektronların çoğunun
yakalanıp pozitif yüklü iyonların hızlandırılması ile çalışır. Birçok diğer
elektrikli itici gibi çok yüksek yakıt verimliliği ve düşük itiş (thrust)
prensibi kullanır.
En büyük avantajları elektrostatik iyon iticilerin aksine egzozda sistemi
nötrleyecek kadar elektron kalır ve plazmayı hızlandırmak için plazmaya maruz
kalıp zaman içinde aşınacak parçalar yoktur.
Şu anda Avustralya Ulusal Üniversitesinde geliştirilmekte olan bu teknolojinin
yakın gelecekte yaklaşık 50 yıllık cihaz ömrü ile uydularda, istasyonlarda
yörünge düzeltmelerinde, derin uzay ve Mars görevlerinde kullanılması
planlanıyor.
HET (Hall Effect Thruster – Hall Etkisi İticileri)
1879’da Edwin Hall tarafındn keşfedilen Hall etkisi, bir manyetik alan
içerisinde bulunan ve üzerinden elektrik akımı geçen iletken üzerinde oluşan
voltaj farkıdır. Günlük hayatımızda birçok alanda farkına varmadan
faydalandığımız Hall etkisinin uzaydada kullanılabileceği 1962’de Amerika’da,
gelişmiş itki sistemleri sempozyumunda duyurulmuştur. Ancak ilk işlevsel
örneğini Sovyetler Birliği 1971’de fırlatmıştır. Hall etkisi iticiler, batıya
1992’de tanıtılmadan önce, yüzden fazla kez uzayda kullanılmıştır. Sadece
Sovyetler Birliği ve ardılı olan Rusya, bu motorları 200’den fazla kez hiç bir
sorunla karşılaşmadan kullanmışlardır.
İki farklı modeli bulunur, SPT (Stationary Plasma Thruster) ve TAL (Thruster
with Anode Layer). Çalışma prensipleri ve şemaları çok benzerdir, ancak
kullanılan materyal ve mekanik konfigürasyonları farklıdır.
Hall Effect (Hall Etkisi) İticisi
HET nasıl çalışır, nerede kullanılır.
Hall-Etkisi İticileri, hem elektrostatik hemde elektromanyetik sınıfına
girerler. Sistem oldukça geniş bir yakıt yelpazesine sahip olmasına rağmen,
çoğunlukla Xenon tercih edilir ve yakıt anot bölmelerine püskürtülür. Katot’da
üretilen elektronlar ise elektromanyetik bir alana yakalanarak, bu alanı
yüksek enerjiyle takip edip, motora ismini veren Hall akımını oluştururlar.
150-800 volt aralığındaki bu Hall akımı, Xenon atomlarını iyonize eder ve
pozitif yüklenen iyonlar Hall akımının etkisiyle saniyede 15 kilometreye kadar
hızlanırlar. Motordan çıkış esnasında iyonlar kendileriyle eşit sayıda
elektron çekerek nötr yüklü hale gelirler.
Manyetik alan elektronların bir kısmını yakalasada, egzoz akımının %20-30
kadarını bu itki üretmeyen elektronlar oluşturur. Egzoz akımının geri kalan
%70-80’ini oluşturan iyonlar, sistemin enerji verimliliğinin de ölçütüdür.
Hall akımının, yakıtın %90-99 arasında ki bir değerini iyonize etmesi de yakıt
kütlesi verimliliğini temsil eder. Hall iticilerinin net verimliliği %63 ve
%75 arasında değişmektedir.
Kimyasal roketlerle kıyaslandığında 1.5kW, 300V değerlerinde çalışan bir
sistemin itkisi (thrust) 80mN (milinewton) ile çok küçüktür ve bir bozuk
paranın yere uyguladığı ağırlıktan biraz daha fazladır.
Hall Effect Thruster deneme ateşlemelerinden biri.
Ancak çok yüksek özgül itici kuvvete (specific impulse) sahip olmaları,
taşıdıkları yakıtı kimyasal roketlerden on kat daha verimli kullanmalarını
sağlar. Üstelik elektrik yükü üretmezler bu sebeple sistemi nötrleyecek
fazladan ekipmana ihtiyaç olmadığından diğer iyon motorlarından çok daha küçük
boyutlu üretilebilirler. Başka bir avantajda çok çeşitli yakıtlar
kullanabilmeleridir. Özellikle uydularda kullanmak için oldukça ideallerdir.
Hall-Etkisi iticileri günümüzde rutin olarak yüzlerce ticari iletişim
uydusunda kullanılmaktadırlar, önceki yazımımızda bahsettiğimiz SMART-1 uydusu
da bu motorların bir modelini kullanmıştır.
MPD (Magnetoplasmadynamic / Manyetoplazmadinamik) Roket
MPD teknolojisi, Lorentz kuvvetini kullanarak, yüklü parçacıkların
elektromanyetik bir alanın etkisi ile hızlandırılıp itki elde edilmesiyle
çalışır. Gezegenler arası görevlerde ve özellikle insanlı görevlerde
kullanılabilecek güçlü bir motor türüdür. Çok yüksek yakıt verimliliğine yani
özgül itici kuvvete (specific impulse) ve itkiye (thrust) sahiptir. Öyle ki,
özgül itici kuvvet olarak bir tek VASIMR modeli daha verimli olsa’da, MPD’nin
ürettiği itki (thrust) elektrikli itki sistemleri arasında ki en güçlü
olanıdır.
Peki neden henüz uzayda kullanmıyor?
Çünkü, ciddi teknik problemlerin yanında, MPD ile Mars’a bir kaç hafta sürecek
bir seyahat için güneş panelleri yetersiz kalır. MPD ve VASIMR gibi iticiler
sadece nükleer enerjiden elde edilebilecek yüksek miktarlarda enerji ile tam
kapasitede çalışabilirler.
MPD nasıl çalışır?
Temel olarak iki metal elektrota sahiptir; merkezde bir katot ve katot
çevresinde silindir şeklinde bir anot. Anot ve katot arasında yüksek gerilimli
bir elektrik akımı oluşunca katot elektron saçmaya başlar. Bu elektronlar
iyonize edilmiş yakıt ile çarpışınca plazma oluşur. Katot yolu ile güç
kaynağına geri dönen elektronlar bir manyetik alan oluşturur ve bu manyetik
alan anot ve katot arasında ki elektron/elektrik akımı ile etkileşerek
plazmayı dışarı iten bir elektromanyetik kuvvet oluşturur (Lorentz). Bu
işleyişe ek olarak uygulamalı-alan (applied-field) ve öz-alan (self-field)
denen iki konfigürasyonu mevcuttur. Uygulamalı-alan’da egzoz çemberi manyetik
alan üreten mıknatıs bobinleri ile çevrilidir, bu itki üreten plazma akımını
daha stabil hale getirirken, hızını da arttırır. Öz-alanda ile merkezdeki
katot geriye doğru uzatılmış halde bulunmaktadır. Yakıt olarak en yüksek
performansı veren Lityum olsa da, Baryum, Xenon, Neon, Argon, Hidrojen ve
Hidrazin de kullanılabilir
Şu anki durumu:
MPD teknolojisi 1960’lardan beri, Rusya, Japonya, NASA ve günümüzde bazı özel
şirketler tarafından hala araştırma ve geliştirme aşamasındadır. Şu ana kadar
uzayda 1995’te fırlatılan ve 1996’da STS-72 mekik görevi ile dünyaya geri
getirilen Japon EPEX uydusu haricinde başka bir MPD denemesi olmasa da, Rusya,
Japonya, NASA Glenn Araştırma Merkezi, NASA JPL ve Princeton Universitesi, MPD
teknolojisinde önemli aşamalar katetmişlerdir. Özellikle Glenn araştırma
merkezi, MW (megawatt) enerji seviyelerinde çalışan kendi modelleri ile, 1 MW
ile saniyede 100 kilometrelik egzoz hızı ve 100 Newton itiş gücü
üretebilmektedir. Kıyaslamak gerekirse, bu egzoz hızı, bildiğimiz uzay
mekiklerinden 10 kat daha hızlı hareket eden araçlara ve görevlere olanak
sağlar. Daha düşük güçlü MPD modelleri de özel şirketler tarafından AR-GE
aşamasındadır. Bunlar yüz kW’dan (kilowatt) daha düşük enerjiye ihtiyaç
duymaktadırlar.
MPD’nin avantajları ve problemleri:
Şu anki iyon motorlarının 3 katına ve kimyasal roketlerin 20 katına çıkan
egzoz hızı ve potansiyel olarak 200 newton’a çıkan itki ile elektrikli itki
modelleri arasındaki en verimli teknolojidir. Derin uzayda insanlı bir aracın
başka bir gezegenin yörüngesine giriş işlemi gibi hızlı delta-v manevraları
gerektiren görevlerde dahi elektrikli bir itki sistemi kullanılmasına ve
onlarca kat yakıt verimliliğine olanak sağlar.
Akademik ilgi oldukça yüksek olsa da, ticari olarak çeşitli problemler MPD’nin
tercih edilmesini ve kullanılmasını engellemiştir. Örneğin zaman içerisinde
katot parçalarının yüksek akımdan dolayı aşınması MPD’nin ömrünü
kısaltmaktadır ancak en büyük problem, optimum performans için gereken
yüzlerce kilowattlık güç ihtiyacıdır. Şu anki gezegenler arası görevlerde
kullanılan güneş panelleri ve RTG bataryaları (nükleer radyoizotop
termoelektrik jeneratörleri) yüzlerce kilowatt değerinde enerji üretmekten
uzaktırlar. Bu enerjiyi şu anda sadece nükleer reaktörler veya futbol sahaları
büyüklüğünde güneş panelleri üretebilir. Önceki yıllarda Sovyetler tarafından
uzayda test edilmiş örnekleri olsa da, şu anda uzayda çalışmaya uygun nükleer
reaktörler araştırma – geliştirme aşamasındalardır. Az sonra bahsedeceğimiz
VASIMR roketi de aynı yüksek elektrik ihtiyacına sahiptir, ancak MPD gibi
aşınma problemi olmaması ve yüksek yakıt verimliliği – düşük itki ile düşük
yakıt verimliliği – yüksek itki arasında “vites değişikliği” yapabilmesi,
VASIMR’i daha cazip kılmaktadır.
VASIMR yörünge aracı konsepti.
VASIMR (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket / Değişken
Verimlilikli (özgül itici kuvvet) Manyetoplazma Roketi) ve 39 günde Mars:
VASIMR radyo dalgaları ile plazmaya dönüştürülen yakıtın manyetik alanlar ile
hızlandırılmasıyla çalışır. Yakıtı plazmaya dönüştürmekte kullanılan bu metot,
nükleer füzyon araştırmaları sonucu geliştirilmiştir.
1977’de Astronot Dr. Franklin Chang Diaz tarafından yaratılan VASIMR konsepti
o tarihten beri geliştirilmektedir ve bizzat Dr. Diaz’ın 2005’te kurduğu Ad
Astra Roket Şirketi, NASA tarfından fonlanmakta ve ödeneğini VASIMR’i
geliştirmek için harcamaktadır.
VASIMR tasarımı ve çalışma prensibi:
“Elektrotermal manyetoplazma roketi” olarakta anılan VASIMR, elektrot
kullanmadan yakıtı radyo dalgaları ile ısıtıp iyonize ederek plazmaya
dönüştürdükten sonra, manyetik alanlar ile püskürtür. Elektrot kullanmaması,
elektrikli iticilerde yaygın olan elektrotların aşınması probleminin önüne
geçer ve iyon iticilerinin görece kısa ömrülerine karşı çok daha uzun ömürlü
bir rakip olur. Üstüne üstlük bütün parçaları manyetik alanlar ile kaplı
olduğundan motorun hiç bir parçası plazma ile direk temasa geçmemektedir. Bu
da potansiyel ömrünü bütün iyon ve plazma motorlarından çok daha fazla
kılmaktadır.
Hidrojen, Argon ya da Xenon olabilen yakıt, elektromıknatıslar ile çevrili bir
bölmeye püskürtülür. Burada öncelikle bir helikon radyo frekans anteni, yakıtı
elektromanyetik dalgalara maruz bırakarak, atom çekirdeklerinden elektronları
ayırır ve iyonize halen gelen yakıtı “soğuk plazma” seviyesine kadar ısıtır.
Radyo anteninin enerjisinde ve bu bölmeye püskürtülen yakıt seviyesinde
değişiklikler yapılarak yüksek yakıt verimliliği (specific impulse) – düşük
itki (thrust) ile düşük yakıt verimliliği – yüksek itki modları arasında
“vites değiştirilebilir”. Böylece yörüngeye giriş gibi yüksek itki gerektiren
manevralar gerçekleştirilebilirken, yüksek yakıt verimliliği gerektiren ve
Mars yolculuğunu 39 güne indirebilecek sabit ivmelenme değerleri korunabilir.
İyonize plazma, motorun bir sonraki bölmesinde elektromıknatıslar ile
sıkıştırılır ve burada Ion Cyclotron Heating (İyon ivmeleyicisi ile ısıtma)
mekanizması plazmayı elektromanyetik dalgalar ile bombardımana tabi tutarak
ısıyı 1.000.000 Santigrat dereceye, yani Güneş’in yüzey ısısının 100 katından
fazlasına kadar çıkartır. (Burada tekrar bütün bu ısının manyetik alanlar
içerisinde güvenle hapsolduğunu ve motorun kesinlikle etkilenmediğini
söylemekte yarar var, zira ısınmış yakıtı manyetik alanlar içerisine
hapsetmek, nükleer füzyon denemelerinde de uygulanan bir yöntemdir.) Bu sıcak
plazma elektromıknatıslar ile motor boyunca hızlandırıp, saniyede onlarca
kilometrelik hızlarla püskürtülür ve itki elde edilir.
VASIMR Araştırma ve geliştirme safhası:
İlk VASIMR deneyi, 1983 yılında MIT’de manyetik ayna plazma aygıtı ile
yapılmıştır. Takip eden 90’lı yıllarda roketi tamamen elektrotsuz hale getiren
helikon radyo frekans anteni kaynaklı plazma üretimi gibi birçok geliştirme
yapılmıştır. 1995’te ASPL (advanced space propulsion laboratory / gelişmiş
uzay itki sistemleri laboratuvarı) MIT’nin deneylerini ve manyetik ayna plazma
aygıtını devralmış; birçok universite ve araştırma enstitüleri ile işbirliği
başlatmıştır. Burada 1998 yılında tasarım VASIMR ismini almış ve şu anki
modellere oldukça benzeyen son prototipi kullanılmaya başlanmıştır. VX-10
denen bu model 10kW’lik helikon akımı üretirken, 2002’de VX-25, 25 kW ve VX-50,
50 kW ile çalışmıştır. 2005’te ASPL, tam ve verimli plazma üretimi ve roketin
ikinci aşamasında plazmayı oluşturan iyonlarının hızlandırılması konusunda
önemli aşamalar elde etmiştir.
2005 yılında NASA, Ad Astra şirketi ile ilk “Space Act Agreement” isimli
anlaşmayı imzalayarak VASIMR teknolojisini özelleştirmiştir. 2006’da Ad Astra
şirketinin Costa Rica departmanı VX-CR denen modelin testine başlamıştır.
2007’de VX-100, 100 kW VASIMR deneyi verimli plazma üretimini sunmuş ve VX-50’ye
kıyasla plazma üretimini 3 katına çıkarmıştır ancak elektrik akımının radyo
frekansına dönüştürülmesinde verimlilik sorunları yaşanmıştır. 2008’de
üretilen ve 2008-2013 arasında deneyler yapılıp geliştirilen VX-200, 200 kW
ile daha önceden VX-100’de yaşanan sorunlar giderilmiştir. Bu sürede 10.000
den fazla ateşleme deneyi yapılıp, Argon yakıt ile saniyede 50 kilometre egzoz
hızı, 5.7 Newton itki (thrust) ve %72 itici verimliliği elde edilmiştir.
VX-200 test ateşlemesi:
Şu anda Ad Astra, 2016’da fırlatılmak üzere; Uluslararası Uzay İstasyonuna
gönderilecek VF-200’ü, her biri 100 kW’lik iki VASIMR roketinden oluşan
sistemi hazırlamaktadır. Uzay İstasyonu’nun güç kaynağı 200 kW’nin altında
olmasından dolayı sistem 15 dakikalık şarjlı bataryalar ile çalışacaktır.
Bu sistem alçak Dünya yörüngesinde atmosferik sürtünmeden dolayı periyodik
irtifa düzeltme manevraları yapan UUİ için kritik önem taşımaktadır. Şu anda
bu düzeltmeleri istasyonda ki kimyasal roketler yapmaktadır. Bu yörünge
düzeltmelerinin şu anki maliyeti yıllık yaklaşık olarak 170-200 milyon dolar
arasındadır. İstasyona yerleştirilecek VASIMR ile bu maliyet 7-10 milyon dolar
değerlerine çekebilir.
Gelecekteki kullanımı:
VASIMR Dünya’dan yörüngeye yük taşımak için yeterli itkiyi üretemez ve
çalışmak için vakuma muhtaçtır. Uzayda düşük güçlü VASIMR roketleri, uzay
istasyonlarında ve uydularda irtifa düzeltmeleri yapıp, Ay’a ucuza kargo +
mürettebat transferine ve çok hızlı sonda görevlerine olanak sağlayacaktır.
Şu anda Mars için kimyasal roketler ile ulaşım süresi 6-8 ay olarak
planlanmaktadır. Böylesi aylar boyu radyasyon ve yer çekimsiz ortamda sürecek
bir yolculuktan sonra mürettebatın sağlıklarını korumaları zorlaşacak ve Mars
koşullarına uyum sağlaması zaman alacaktır. Mars’a gidecek ilk gemiler için
merkezkaç kuvveti ile yapay yer çekimi üretilmesi planlanmazken, Güneş
kaynaklı ve kozmik radyasyona karşıda ciddi bir önlem düşünülmezken, yolculuk
süresinin olabildiğince kısa tutulması kritiktir.
Haftalar sürecek bir yolculuk, aylar sürecek bir yolculuğa kıyasla risk
faktörünü onlarca kat azaltacaktır. Bu nedenle bizzat NASA, Ad Astra’nın
VASIMR’i geliştirmesi için ödenek ayırmaktadır. 1MW’lık yüksek güçlü bir
VASIMR roketinin aylar sürecek bir Mars yolculuğunu 39 güne düşürmesi vaadi
fazlasıyla caziptir.
Yüksek güçlü bir VASIMR, 39 günde Mars yolculuğu için Güneş enerjisinin
yanında nükleer bir reaktörün üretebileceği miktarda elektriğe ihtiyaç
duymaktadır. Böyle bir yolculuk için tahminen 1MW (megawatt) elektriğe ihtiyaç
duyacak roket, Mars yolculuğunu kısalttığı gibi şu anda 5-6 yıl olan Jüpiter
yolculuğunu da 1 yıla indirebilir. 1 MW enerji ihtiyacını sadece Güneş
panelleri kullanılacaksa, Mars yörüngesi sınırları içerisinde yaklaşık 2-3
futbol sahası boyutlarında Güneş panelleri karşılayabilir. Küçük kompakt bir
nükleer reaktörle kıyaslandığında bunca Güneş paneli kütleyi arttıracaktır.
VASIMR roketleri, ilk Mars görevleri için sadece Güneş panelleri kullansa da,
gelecekteki görevlerde kütle verimliliğini arttırmak ve de Mars ötesine kısa
sürede ulaşmak için nükleer enerji şart görünüyor. Mars ötesinde bildiğiniz
gibi Güneş enerjisinin verimliliği daha da azalacaktır. Örneğin Jüpiter’in,
Dünya’da aldığımız Güneş enerjisinin sadece %4’ünü aldığını düşünecek olursak,
Güneş Sistemi içinde VASIMR ile ulaşımın nükleer reaktörler ile
desteklenmesinin şart olduğunu görürüz.
Kullanılması planlanan geleneksel fisyon reaktörlerinin yanında nükleer füzyon
teknolojisi de sürdürülebilir ve ekonomik seviyelere getirildiğinde uzayda
VASIMR gibi yüksek elektrik ihtiyaçlı sistemlere fisyon reaktörlerinden çok
daha fazla güç sağlayacaktır.
Sonuç:
Toplumun nükleer enerji konusunda fikri ve korkuları ortada olsa da, nükleer
enerji; Güneş Sistemi içinde ulaşım sürelerinin kısaltılması için orta ve uzun
vadede şart. Uzay çalışmalarını yürüten taraflardan birinin bile uzayda
nükleer enerji kullanımına yatırım yapması, geri kalanları da bu alanda
yatırım yapmaya zorlayacaktır. Örneğin NASA’nın Jüpiter’e ulaşım süresi 6
yılken, Avrupa’nın veya Rusya’nın 1 yıla indirebilecek bir sistem geliştirip
bu konuda söz sahibi olması bile dengeleri değiştirebilir.
Neyseki büyük uzay çalışmaları artık tek kutuplu yürütülmüyor. Büyük
çalışmaların uluslararası düzeyde yapılması şart. Ancak böyle bir kooperatif
ortamda bile bir ülkenin/kurumun teknolojik üstünlük elde etme girişimi, diğer
ülkelerin/kurumların bu alana yatırım yapıp arayı kapamaya çalışmaları ile
sonuçlanacaktır. Nasıl ki şu anda Uluslararası Uzay İstasyonu’na ulaşımın
Rusya tekelinde olmasından dolayı Amerikalılar son derece rahatsızsa ve özel
şirketlere uzaya insan çıkarmak için yüklü miktarda ödenek sağlıyorlarsa,
Güneş Sistemi’nin insanlı keşfi de büyük güçlerin birbirleri ile orantılı bir
rekabet ve işbirliği içinde hareket etmelerini gerektirecektir.
Burada nükleer enerji konusuna biraz giriş yaptığımıza göre yazı dizimizin bir
sonraki bölümünde uzayda nükleer fisyon enerjisi kullanımından, nükleer termal
roketlerden ve diğer nükleer fisyon bazlı teknolojilerden bahsetmemiz uygun
olacaktır.
Berkan Alptekin
Geleceğin İtki Sistemleri 3: Uzayda Nükleer
Enerji ve Nükleer Roketler