Konumuzla ilgili detaylara inmeden önce roketlerle ilgili biraz bilgi
paylaşalım.
Roket nedir?
Roketler, yakıcı ve yanıcı maddelerden oluşan yakıtlarını yanlarında taşıyan
jet motorlarıdır. Uçaklardaki jet motorları uçakta taşınan yakıt ile dışarıdan
alınan havadaki oksijeni, yakıcı olarak karıştırma prensibi ile çalışırken,
roketler hem yakıtı hem de yakıcı olan oksijeni yanlarında taşır ve bu sayede
uzayda da çalışabilirler.
Roketlerin birçok farklı çeşidi bulunur;
Günümüzde kullanılan kimyasal roketlerde, yakıt tipi katı veya sıvı olarak
ikiye ayrılır. Özellikle 2. Dünya savaşının V-2 roketleri, kullanılan sıvı
yakıt ile uzay çalışmaları için öncü olmuşlardır. V-2 ile ilgili detaylı
bilgileri ilgili yazımızda bulabilirsiniz.
İlk başarılı sıvı yakıtlı roket olan Alman V2 füzesi.
Kimyasal roketler, kullanılan yakıtın sıvı-katı durumu dışında tek, çift yada
üç tip yakıt kullanan ve dışarıdan alınan hava ile verimliliği arttırılan
roketler gibi alt çeşitlere ayrılır. Kimyasal roketler dışında, elektrikli
iticiler, termal roketler, Güneş ışığı ile desteklenen termal roketler, lazer
ve mikrodalga destekli roketler, nükleer enerjiyle ısıtılan veya nükleer
enerjinin itici olarak kullanıldığı roket çeşitleri de kağıt üzerinde ve/veya
pratik kullanımda mevcuttur.
Bu yazımızın konusu elektrostatik iyon motorları, çok geniş bir yelpazesi
bulunan elektrikli itki sistemlerinin bir parçasıdır. Elektrikli itki
sistemleri konusunda ilk fikirler 20.yüzyılın başlarında ortaya çıkmıştır.
Denenen ilk elektrik motorları, 1964 ve 1970 yıllarında fırlatılan SERT-I ve
SERT-II uydularına yerleştirilmiş iticilerdir. Yapılan testlerde SERT-I’deki
iki iticiden biri arızalanıp diğeri 31 dakika boyunca çalışırken, SERT-II’nin
iticileri sırayla 2.011 saat ve 3.781 saat çalışarak rekor kırmışlardır.
(SERT-I uzay aracı ve geliştirici ekibin yöneticisi Raymond J. Rulis.)
Bu araçlarda denenen elektrikli itkiyi bugün bu kadar cazip kılan şey, yakıt
verimliliklerinin çok yüksek olmasıdır. Örneğin iyon motorlu bir uzay aracının
yapabileceği çeşitli görevleri, kimyasal roket kullanan bir aracın yapması
için çok daha fazla miktarda yakıt gerekir. Böylece kimyasal roket yerine iyon
iticisi kullanan uzay araçları çok daha ucuza mal olup daha uzun süre
dayanırlar ve birden çok gök cismine seyahat edebilmektedirler.
Elektrikli İtki Sistemleri
Yazımızın konusu olan elektrikli iticilerin çeşitli modelleri şu anda 200
üzerinde uzay aracında bulunuyor. Bunların çoğu yörünge koruma ve yörünge
düzeltme manevralarında kullanılmaktadır. Bu iticiler kendi içlerinde
Elektrostatik, Elektrotermal ve Elektromanyetik olarak üçe ayrılır. Her birini
kısaca özetleyecek olursak;
Elektrostatik iticiler, yazı konumuz elektrostatik iyon motorlarını da
içlerinde barındırır. “Coulomb etkisi” ile itki yönüne doğru statik elektrik
yüklü alan oluşturularak, iyonların (elektrik yüklü atom) hızlandırılması ile
itki elde ederler.
Elektrotermal iticiler plazma ile yakıtı ısıtır, ısınan yakıtın
enerjisi bir püskürtücüde kinetik enerjiye dönüştürülerek itki sağlar.
Resistojet denen alt modelleri alçak dünya yörüngesinde ki uydularda
kullanılmaktadır.
Elektromanyetik iticiler ise elektriğin aksine, yakıtı elektromanyetik
alanlar tarafından hızlandırmaktadır. Bu türde iticilerin henüz AR-GE
aşamasında olan MPD ve VASIMR modelleri insanlı uzay yolculukları için çok
büyük umut vaad etmektedirler.
Elektrostatik İyon İticileri
Elektrostatik iyon iticileri kendi aralarında farklı modellere ayrılır.
Temelde bütün modeller elektrik yükü ile iyonları hızlandırıp momentumun
korunumu yasası ile itki elde eden yüksek verimlilikli iticilerdir. Aynı
görevi yapacak kimyasal bir roketten kat kat daha az yakıt kullanırlar. Motor
modeline göre Xenon, Bismuth, Sıvı-Sezyum ve Kripton yakıt olarak kullanılır.
Özellikle Xenon, iyonize olmasının kolaylığı ve yüksek atom numarası ile
tercih edilse de, oldukça pahalı, nadir bir gazdır. Güç kaynağı olarak da
Güneş panellerinden gelen elektrik tercih edilir. Ancak Güneş’ten uzak
görevlerde Güneş panelleri etkinliklerini yitireceğinden, yerlerini nükleer
enerjinin alması gerekecektir.
Elektrostatik iyon iticilerin çalışma sistemi. Basitçe, elektron tabancası
tarafından fırlatılan elektronlarca yüklenen atomlar, mıknatıslar yoluyla
hızlandırılarak dışarı fırlatılır. Bu yüksek hızla dışarı fırlayan atomlar,
araca ters yönde bir itki yaratırlar ve araç haraket eder.
Sayılarla elektrostatik iyon iticileri
Güç girdileri 1-7 kilowatt olan, egzoz çıkış hızı saniyede 20-50 kilometre
olan ve itki gücü 20-250 milinewton aralıklarında değişen, verimlilikleri
60-80% aralığında olan iticilerdir. Az miktardaki yakıtı haftalar hatta aylar
boyunca aralıksız hızlandırıp, çok yüksek süratler elde ederler.
Yakın zamanda tamamlanan NEXT (NASA Evolutionary Xenon Thruster) projesinde
48.000 saat aralıksız çalıştırılan (5.5 yıl) itici, 870 kilogram yakıt
tüketmiştir. Bu süre boyunca itici tek bir arıza çıkarmamış olup, sağladığı
toplam itki 10.000 kilogram kimyasal roket yakıtının sağlayacağı itki ile
aynıdır.
Avantajları ve dezavantajları nelerdir?
Bütün elektrikli iticiler gibi, iyon iticileri çok yüksek özgül itici kuvvet (specific
impulse) üretirler, yani birim yakıttan alınan verim çok yüksektir. Bununla
beraber, ürettikleri itki (thrust) çok düşüktür. Kimyasal roketler ise tam
tersidir, çok yüksek itki üretirler ancak birim yakıttan alınan verim çok
düşüktür. Kaba bir örnekle anlatmaya çalışıp, aynı yakıt miktarına sahip bir
iyon iticisi ve bir kimyasal roket olduğunu düşünelim:
İyon iticisi bir roket gibi dünyadan yükselecek itiş gücünü üretemez. Ama
sürtünmesiz ortamda bir aracı saatte 0’dan 60 kilometreye iki-dört gün
arasında çıkartır. Farkettiğiniz üzere, bu hızlamanma günlük hayatta
kullandığımız araçlara göre çok yavaştır. Bir kimyasal roket ise bunu
saniyeler içinde yapar ve bütün yakıtını bir kaç dakika içinde tükettiğinde
sürati saatte binlerce hatta on binlerce kilometre üzerine çıkmıştır. Ancak
iyon iticisi çalışmaya devam edip aracı yavaş ama istikrarlı biçimde
hızlandırır. Bir kimyasal roketle yakıtı tüketmesi yıllar sürebilir ve yakın
tükendiğinde aracın hızı saatte yüz binlerce kilometreye ulaşmış olabilir. Bu
denli yüksek hıza kimyasal bir roketle ulaşmak neredeyse imkansızdır.
Yani iyon iticileri uzaya roket fırlatacak güce sahip değildir. Ancak uzun
vaade, uzay boşluğunda çalıştırıldığında çok daha yüksek hızlar elde edebilir.
İşte bu sayede hem görece ucuz hem de kapsamlı derin uzay görevleri ile
yörüngede uzun süreler dayanan uydular mümkün olmuştur.
Elektrostatik İyon İticilerini kullanan sondalar
Şu anda iyon iticilerinin verimliliğinin güncel kanıtı olan dört önemli araç
şunlardır:
Deep Space 1: İyon iticisi dahil birçok yeni teknolojinin testi amacıyla
fırlatılmış, 9969 Braille asteroidine uğramış ve görev uzatılması ile Borrelly
Kuyrukluyıldızı’na da gitmiştir. Ana ve ikincil görevleri 2001’de bittiğinden
beri Güneş çevresindeki yörüngesinde emekliye ayrılmıştır, ancak gelecekte
ihtiyaç halinde hala kullanılabilecek durumdadır.
Hayabusa: Japon Uzay Ajansı’nın 2003’te fırlattığı ve 4 iyon iticisi
kullanan Hayabusa, 25143 Itokawa asteroidine uğramış ve toz paçacıkları
toplayarak Dünya’ya geri dönmeyi başarmıştır. Hayabusa görev sırasında
motorlarında ve iletişim sistemlerinde ciddi sorunlar yaşamıştır. Özellikle
asteroidden örnek alma işlemi, Philae sondasının kuyrukluyıldız 67P’ye inişi
gibi sorunlu gerçekleşmiştir. Örnek alma sistemi amaçlanılan şekilde
kullanılamamış, sadece dışına yapışan tozlar örnek olarak alınabilmiştir.
Ancak yine gerek kullanılan teknolojiler, gerekse görev kontrol ekibi ve
teknisyenlerin büyük emekleriyle araç aldığı az miktarda örnek ile Dünya’ya
dönmeyi başarmıştır.
Görevini tamamladıktan sonra Avustralya düzlüklerine iniş gerçekleştiren
Hayabusa uzay aracı, Japon uzmanlarca alındı ve topladığı örnekler incelendi.
Bu sayede kuyruklu yıldızlar hakkında oldukça önemli bilgilere ulaşıldı.
Smart-1: 2003-2006 yılları arasında ESA’nın Ay yörüngesine gönderdiği
bu araç, gözlemler gerçekleştirdikten sonra Ay yüzeyine düşürülmüştür.
Yarattığı patlama Dünya’dan da gözlemlenebilmiş ve Ay yüzeyinin altıyla ilgili
gözlem verileri toplanmasına yaramıştır. Aracın Ay yüzeyine düşürülmesi
tartışmalara konu olsa da bu tartışmalar, aracı oluşturan bütün elementlerin
Ay’da doğal olarak var olması ve aracın enkazının Ayda kirlenmeye neden
olmayacağı sebebiyle bitmiştir.
Dawn: İyon itki sisteminin en güncel örneği olan Dawn, 3 adet iyon
motoru taşımaktadır. Tek bir motorun devamlı itkisi ile 4 günde saatte 95
kilometre hıza çıkabilen Dawn, bu uzun ömürlü itki sistemi sayesinde, 2007
Eylülünde fırlatılmasını takiben, 2009 Şubatında Mars yörüngesinde yerçekimsel
sapan manevrası yaptı. Bu manevra Dawn’u Temmuz 2011’de Güneş Sistemi’nin
ikinci büyük asteroidi Vesta ile buluşacağı rotaya soktu. Temmuz 2011 ve Eylül
2012 arasında Vesta’da çok önemli araştırmalar ve gözlemler yapan Dawn,
Vesta’yı terk edip Ceres ile 2015’in Mart ayında buluşmak için yola çıktı. Şu
anda Ceres çevresinde kutupsal bir yörüngeye oturmuş ve gözlemler yapıyor.
Dawn uzay aracı, Astreoid Kuşağı’nın ikinci büyük gökcismi olan Vesta’nın
yörüngesine girerek önemli inceleme ve keşiflere imza attı. Araç şu anda Cüce
gezegen Ceres’in yörüngesinde araştırmalarını sürdürüyor.
Planlanan görevler:
Bunca başarılı ve ilham verici göreve imzasını atan iyon iticileri daha birçok
görevde kullanılacak. Bunlar arasında şimdiden en dikkat çekenler 2015
Eylülünde fırlatılacak LISA Pathfinder ve ESA’nın 2016 da Merkür’e göndereceği
BepiColombo. BepiColombo’nun görev tanımları arasında Merkürün iç yapısını,
jeolojik özelliklerini ve manyetosferini incelemek var ayrıca genel görelelik
kuramını kanıtlayacak deneyler yapılmasıda planlanıyor.
“LISA Pathfinder” adlı teknoloji test aracı ise şahsen çok daha heyecan verici
bir amaç taşıyor. 2034’te fırlatılması planlanan LISA gözlemevi, (Laser
Interferometer Space Antenna) uzay-zamanda ki kütle çekim dalgalarını (gravitational
waves) gözlemleyebilecek. LISA Patfinder bu gözlemevi için gereken
teknolojilerin test yatağı olacak.
Bunlar dışında Uluslararası Uzay İstasyonunda kullanılacak olan bir iyon
motoru ve daha önce bahsettiğimiz yeni nesil NEXT iyon motorunu test amaçlı
taşıyacak bir NASA uydusu da planlanıyor.
Şu anda kullanımda ve/veya geliştirilmekte olan elektrostatik iyon motorları,
küçük boylu sondalar için oldukça çeşitli görev imkanları sunuyor. Kimyasal
roketler ile tek bir aracın yapması ekonomik olarak mümkün olmayan, farklı
yörüngelerdeki birden çok gökcismine yapılabilecek insansız görevler için
elektrostatik iyon motorları biçilmiş kaftan. Ama derin uzaya yapılacak daha
kapsamlı robotik görevlerde ya da insanlı derin uzay ve Mars görevleri için şu
anki elektrostatik iyon motorları yetersiz kalıyor.
Daha güçlü ve hızlı motorlara ihtiyacımız var. Özellikle insanlı görevlerde
kullanılması için planlanan iticiler, yazımızda anlatılan elektrostatik iyon
iticiler aksine, elektromanyetik iticiler olacaklardır.
Yazı dizimizin buraya tıklayarak ulaşabileceğiniz bir sonraki bölümünde
sizlere plazma itkili motorlar olarak da bilinen elektromanyetik iyon
iticilerinden ve umut vaad eden HET (Hall Effect Thruster), MPD (Magnetoplasmadynamic)
ve VASIMR (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket) modellerinden
bahsederek, elektrik itki sistemlerinin üst sınırlarını anlatacağız.
Hazırlayan: Berkan Alptekin
Geleceğin İtki Sistemleri 2: Plazma İtkili Motorlar