Uzayın Limiti Kalkıyor: VASIMR

Şuan da günlük hayatımıza büyük bir hızla girmekte olan elektrik enerjisi ile çalışan itki sistemlerini hepimiz biliyoruz. Fakat bunun üst düzey teknolojileri uzay alanında nasıl kullanılıyor hiç merak ettiniz mi?

Siz değerli okuyuculara sürekli çalışmalarını okuduğum ve kariyerini araştırdığım, örnek aldığım Franklin Chang-Díaz’ın ve şirketi Ad Astra Rocket Company (AARC)’nin üzerinde çalıştığı VASIMR motorunu anlatacağım.

İlk olarak Franklin Chang-Díaz’ın eğitim hayatı ve kariyeri hakkında bilgi vermek istiyorum. Chang-Díaz Amerika’daki Connecticut üniversitesinin makina mühendisliğini bitirmiştir. Daha sonra lisans sonrası eğitimini (doktorasını) MIT’de uygulamalı plazma fiziği üzerine yapmıştır. 1977’de üniversitede eğitim hayatını bitirdikten sonra 1980’de NASA’ya astronot olarak kabul edilir. Astronoktluk eğitimi sırasında ayrıca uçuş yazılımları birimine katılır ve aynı zamanda uzay istayonu tasarım dersleride almaktadır. 1984-85’ te astronot destek ekibinin lideri olarak görev yapmıştır. NASA verilerine göre toplamda 1.601 saatten fazla uzay tecrübesi vardır ve bunun 19 saat 31 dakikası uzay yürüyüşüdür. Tüm bunları yaparken bir çok bilimsel deney gerçekleştirmiştir. İncelemek isteyenler aşağıda paylaşacağım linke göz atabilirler. Sonuç olarak Chang-Díaz hem astronot hem bilim adamı hem de bir mühendistir. Ad Astra ise Chang-Díaz’ın önderliğinde NASA’nın tesislerinde faaliyet gösteren motor teknolojileri araştırma ve üretim şirketidir.  Bir çok alan üzerinde çalışmaktadırlar fakat şimdi VASIMR motoru hakkında konuşalım.

VASIMR’in İngilizce açılımı  Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket’dır (adastrarocket.com/aarc/VASIMR). VASIMR bir çok eşsiz avantajı olan yeni nesil elektirikli itki sistemidir ve uzayda kullanılmak üzere tasarlanmaktadır. Argon, Xenon ve Hidrojen gazları süper iletken magnetler tarafından çevrili tüpün içerisine enjekte edilir, ayrıca bu tüpün çevresinde seri bir şekilde konumlandırılmış radyo dalgaları üreten 2 tane bağlaştırıcı bulunur. Bu bağdaştırıcılar soğuk olan gazı çok yüksek sıcaklıktaki plazmaya dönüştürür. Daha sonra motorun magnetik nozzle (çıkış kısmı) bölümü bu çok yüksek sıcaklıktaki plazmanın termal enerjisini yönlendirerek motorun hareket etmesini sağlar.

Bağdaştırıcaların temel görevi enjekte edilen gazı iyonlaştırarak plazmaya dönüştürmektir. Bu işlem ilk olarak Helicon bağdaştırıcısında gerçekleştirilir. Helicon İngilizcede sarmal demektir ve bu kısmın böyle adlandırılması gazı iyonlaştırırken sarmal dalgalar üretmesinden kaynaklanır. Helicon bağlaştırıcısı plazma üretmek için kullanılan yaygın bir yöntemdir. Helicon bölümünden sonra plazma soğuk plazmadır ve sıcaklığı güneşin yüzey sıcaklığından(5800 K) yüksektir. Ek bir not olarak plasma hali elektron ve iyonların karışımına verilen isimdir. İkinci bağlaştırıcının ismi  Ion Cyclotron Heating (ICH)’tir. ICH füzyon (eriterek birleştirme) deneylerinde kullanılan bir tekniktir ve burda plazmanın sıcaklığının güneşin çekirdeği ile aynı sıcaklığa (10 milyon K) ulaşması hedeflenir. ICH dalgaları sadece magnetic alan çizgileri etrafında dönen iyonları iter ve bu plazmanın ivmelenmesine ve yüksek sıcaklıklara ulaşmasına sebep olur. Bu iyonların termal hareketi ve magnetic alan çizgileri çoğunlukla motorun hareketine diktir ve bu hareket anlamında motora bir şey katmaz. Bu iyonların orbital hareketini doğrusal momentuma dönüştürmek içinde magnetik nozzle kullanılır. Bu nozzledan fırlatılan iyonların hızı 180,000 km/hr (112,000 mph)’ye kadar çıkabilmektedir.

VASIMR motorunu diğerlerinden ayıran bazı özellikler  şu şekildedir:

1. Görevin gerekliliklerine göre daha geniş aralıklarda değişebilen egzoz parametleri vardır. Bu kısa sürede ve limitli yakıtla daha fazla yük taşıma kapasitesi sağlar.
2. VASIMR motoru kendi çekirdeğinde plazmaya enerji sağlamak ve plazmayı oluşturmak için elektromagnetik dalgalar oluşturur. Bu yüzden VASIMR motorunda çok yüksek sıcaklıktaki plazma ile fiziksel temesa geçebilecek elektrod yoktur. Elektrodların eksikliği diğer Hall etkili itki motorlarına göre VASIMR’in daha güvenli, daha uzun ömürlü ve daha yüksek güç yoğunluğuna sahip olmasını sağlar.
3. VASIMR diğer elektrikli itki sistemlerine kıyasla daha yüksek güç üretir bunun anlamıda daha yüksek itiş gücüne sahiptir. Böylelikle ağır yüklerin alçak yörünge etrafında, Dünya’dan Ay’a ve hatta Güneş sisteminin dışına taşınmasında oldukça verimlidir ve kolaylık sağlar.
4. Ayrıca VASIMR motorunun yeniden kolayca şekillendirilebilme özelliği vardır. Bu şu demek oluyor isteğe ve gerekliliğe göre VASIMR motorunu değiştirebilirsiniz. Örneğin insanlı uzay görevlerinde daha yüksek güç üreten motorlara ihtiyacınız vardır, ve one göre VASIMR motorunu değiştirme imkanınız vardır.

VASIMR motoru için gerekli güç, elektrik enerjisi kullanılarak üretilir ve  kullanılacağı yere göre elektrik enerjisinin elde edilme yolları vardır.

Örneğin güneş panelleri. Dünya’nın çevresindeki görevler düşük güç ister, mesela bir uydunun pozisyon değiştirmesi veya pozisyonunu koruması için gereken güç gibi. Bu görevler için ihtiyaç duyulan güç 10kW civarındadır ve şuanda kullanılan Hall etkili itki sistemleride en fazla bu kadar itki üretebilmektedirler. Fakat VASIMR güneş enerjisini kullanarak daha verimli ve yüksek miktarda güç üretmeyi başarabilmiştir.

Diğer bir örnek olarak ise VASIMR motorlarının belkide en etkili kullanılabilmesine imkan sağlayan enerji kaynağı nükleer enerjidir. Diğer enerji kaynaklarına göre birim kütle başına düşen enerjisi çok yüksektir. İnsanların gezegenler arası ulaşım sürelerini çok aza indirgenmesine kolaylık sağlar ve oldukça verimlidir. Seyehat sayısı ve yük taşıma kapasitesi geleneksel ve nükleer termal roketler için öncelikli limitleyici etkendir. Çünkü doğası gereği çok düşük sipecific itmeye (low specific impulse) sahiptir. Fakat nükleer enerji ve elektrik enerjisini birleştirirseniz uzayın insanlık için tüm limitleri değişir.

Şuanda VASIMR durumu hakkında bilgi vermek gerekirse, Ad Astra  bu motoru 10 saniye boyunca 10kW güçte ve 1 dakikalığına 50kW güçte çalıştırarak motorun çalıştığını gösterdi. Fakat NASA ile yaptığı anlaşmaya göre önümüzdeki yıl 2018’de bu motoru 100kW gücünde 100 saat çalıştırması gerekmektedir. Buna ek olarak hedefleri arasında 300kW güç üretmek vardır ve şuanda bunun için özel yatırımcılardan 30 milyon dolar yatırım aldıkları biliniyor.

Ayrıca Mars’a 39 günde gidilebiliyor diye bir yazı görürseniz bilin ki bu VASIMR motoru sayesindedir. Normal itki sistemleri kullanılarak bu yolculuk aylar sürerken,biliyoruz ki VASIMR geliştikçe bu süre daha da azalacaktır. VASIMR ve uzay ile ilgili başka konularda Chang Diaz’ın konuşmasını izlemek isterseniz videoyu burada paylaşıyorum.

Uzay Sizinle Olsun…

KAYNAKLAR:

1. http://www.adastrarocket.com/aarc/VASIMR
2. Chang Diaz’ın geçmişi: https://www.jsc.nasa.gov/Bios/htmlbios/chang.html
3. https://arstechnica.com/science/2017/02/nasas-longshot-bet-on-a-revolutionary-rocket-may-be-about-to-pay-off/
4. https://www.nextbigfuture.com/2017/02/vasimr-plasma-rocket-targeting-100.html