Evrenin Keşfi Tüm Yazılar

Geleceğin İtki Sistemleri 5: Antimadde Roketleri

Hazırlayan: Berkan Alptekin
Facebooktwittergoogle_plusredditlinkedintumblrmail

Bu yazımızla; uzayda pratik uygulamaları bugün ve yakın gelecekte mümkün olan teknolojilerden biraz daha uzağa erişeceğiz. Yarın mevcut olabilecek teknolojiler yerine, bizim neslimizde mümkün olmayacak ancak er ya da geç kullanılacak teknolojileri incelemeye başlayacağız. Önce, antimadde roketlerine göz atalım:

10 miligram yakıtla Mars’a ulaşmak mümkün, 300 ton yakıtla yıldızlara ulaşmak mümkün. Bugünkü teknolojimiz dahi buna izin veriyor.

Yazı dizimizin önceki bölümlerinde bahsettiğimiz çeşitli nükleer roketlerle neredeyse 100 yıl, hatta 50 yıl sürebilecek seyahatler ile Centauri yıldız sistemine ulaşmak teorik olarak mümkün. Özellikle inşa edilecek geminin gerisinde patlatılacak nükleer bombalarla, yani “nuclear pulse propulsion (nükleer darbe itkisi)” yöntemi ile ışık hızının düşük bir yüzdesine çıkılabilir. Tabi böylesi bir aracın önünde; patlamaların Dünya’ya zarar vermeyeceği uzak bir yörüngede inşa edilmesi, uzayda onlarca yıllık seyahatlere dayanacak bir yapıda olması ve en önemlisi, ödenek gereksinimi gibi sayısız engel mevcut. Kısacası en az 100 yıldan önce Güneş Sistemi’ni terk etmemiz pek mümkün görünmüyor.

O zaman gelecek için konuşalım. Güneşimize en yakın yıldıza 100 ya da 50 yıllık bir seyahat çok uzun, öyle değil mi? İnsanları dondurmanın bir yöntemini bulamazsak, ancak Dünya’yı terk eden mürettebatın çocukları hedef yıldıza ulaşabilir. Peki, daha hızlı olmamız mümkün mü? Teorik olarak evet. Bizi Centauri Yıldız Sistemi’ne aşağı yukarı 10 yılda ulaştıracak oldukça verimli bir teknoloji biliyoruz, nasıl çalışacağını biliyoruz, bugün dahi üzerinde deneyler yapılıyor. Ama en büyük sorunu, bu teknoloji için günümüzdeki yöntemlerle yeterince yakıt üretmemiz binlerce yıl sürebilir.

Antimadde ile ilgili yazımızda, maddenin bu zıt halinin ne olduğundan ve üzerinde yapılan araştırmalardan bahsettik. Şimdiyse ağızları en çok sulandıran, roket olarak kullanımından bahsedelim.

MADDENİN ENERJİYE DÖNÜŞÜMÜ

E=mc^2 denklemini görmemiş olan yoktur, ne yazık ki anlamını bilmeyen çoktur. Bu denklem bize bir birim maddenin ne kadar enerji açığa çıkarabileceğini söyler. Örneğin bir gram madde ve bir gram antimaddeyi reaksiyona sokalım.
Denklemimiz şu şekilde işliyor:

(Kilogram cinsinden madde miktarı) x (metre/saniye cinsinden ışık hızının karesi) = Joule cinsinden enerji
Bu bağlamda 0.002kg x 89.875.517.900.000.000 (yaklaşık 9,0 x 10^16) = 1.8 x 10^14 Joule açığa çıkarır.
Bu enerji miktarı 43 kilotona eşdeğerdir. (Hiroşimaya atılan atom bombası 15 kilotonluktu.)
Bu bildiğimiz diğer herhangi bir yöntemden çok daha yoğun bir enerjidir.

Ne yazık ki günümüzde kadar üretilen bütün antimadde parçacıklarını reaksiyona sokabilseydik, açığa çıkan enerji bir ampulü kısa süreliğine yakacak miktarda olacaktı. Tam kapasitede çalışırken CERN bir gram antimaddeyi 100 milyar yılda üretebilir durumda. Yani henüz etkili bir üretim metodumuz yok, ama yakın ve uzak gelecek için günümüzün parçacık hızlandırıcılarından daha verimli fikirler mevcut.

ANTİMADDE ÜRETİMİ

Günümüzde antimadde hızlandırıcılarda yan ürün olarak üretilmekte, ancak sadece antimadde üretme amacı taşıyan fabrikalar üretim miktarını arttırabilir. Çeşitli simülasyonlara göre haftada 10 mikrogram üretim kapasiteli fabrikalar yapmak bugün mümkün. Ancak en kabul edilebilir çözüm antimaddeyi uzayda üretmek olacaktır. Yakın gelecekte Dünya yörüngesine yerleştirilecek, süper iletkenler ile manyetik alan üreten istasyonlar sadece bir günde mikrogramlarca antimaddeyi Dünya’nın manyetik alanından toplayabilir.

Antimadde

Günümüzde parçacık hızlandırıcılarda antimadde “yan ürün” olarak çok çok küçük miktarda ortaya çıkmaktadır.

Ancak teorik olarak en işe yarar yöntem, yaklaşık yüz kilometrelik bir alan kaplayan güneş panelleriyle on terawatt enerji üreten bir istasyonun hızlandırıcılar ile sürekli antimadde üretmesi olacaktır. Böyle bir istasyon günde bir gram antimadde üretebilir. Daha ileri gidip benzer bir istasyonun Merkür yakınlarında inşa edilmesi durumunda, hem güneş enerjisinden olabilecek en verimli şekilde faydalanıp hem de güneşten kaynaklanan hızlanmış parçacıklarla hayal edebileceğimizden daha verimli antimadde üretimi yapılabilir. Bunlar tabi ki en az bir yüz yıl göremeyeceğimiz şeyler olsa da, bir gün yapılabilecek olmalarını bilmek güzel.

Yeteri kadar antimadde topladıktan sonra nasıl kullanacağız peki?

Roket modellerini incelemeden önce bu roketlerin hemen hepsinin yüksek miktarda gamma radyasyonu saçacağını ve oldukça iyi kalkanlanmış olmaları gerektiğini söylemekte fayda var. Bütün konsept tasarımlar mürettebat bölümü ve roket bölümünü sağlam ve yeterince kalın kalkanlar ile birbirinden ayırır. İşte çeşitli antimadde roketi modelleri:

SAF ANTİMADDE ROKETLERİ

Beam Core – Pion Rocket / Işın Çekirdekli – Pion Roketi
Bu roketler Proton – Antiproton reaksiyonları kullanırlar. Reaksiyon sonucu açığa çıkan nötrino ve gamma ışınları yanında yüklü ve yüksüz pion parçacıkları da üretilir. Yüklü pionlar manyetik alan üreten manyetik egzoz yardımıyla yönlendirilerek itki sağlarlar.

Pion roketi denen bu yöntem, antimaddenin potansiyeli ile kıyaslandığında pek verimli değildir, açığa çıkan enerjinin küçük bir yüzdesi itki olarak kullanılır. Yine bu pionlardan alınabilecek verimlilikte manyetik egzozun türü ile sınırlıdır. Buna rağmen termal antimadde roketleri ile kıyaslandığında çok daha yüksek bir verimliliğe sahiptir.

beamcoreamrocketplansx

British Interplanetary Society (Britanya Gezegenlerarası Topluluğu) yaptığı çalışmalarda pion roketleriyle yıldızlararası yolculuğu incelemiş: CERN’de yapılan araştırmalara göre, maksimum egzoz çıkış hızı 0.69c (ışık hızının %69’u) olan pion roketi ile 0.5c (ışık hızının yarısı) sürate kadar hızlanıp, hedefe yaklaşıldıkça yavaşlayacak bir gemiyle Centauri Yıldız Sistemi’ne 9 yılda ulaşmak mümkündür. Tabi ihtiyaç duyulan toplam madde – antimadde yakıt geminin yakıt olmayan ağırlığının 5.64 katı olmak zorunda.
Diğer bir deyişle 100 tonluk bir gemi için 282 ton proton ve 282 ton antiproton gerekmekte. Bu miktarlar bugün hayal olsa da uzak gelecekte mümkün olabilir. Bkz: 1, Bkz: 2

Not: Işık hızının yarı süratinde 9 yıl sürecek bir yolculuk dedik. Bildiğiniz gibi ışık hızına yaklaşıldıkça zaman yavaşlar, peki ışık hızının yarı hızında seyahat eden gemimizde ne kadar zaman geçer? Şu sitedeki denklemi biraz kurcalarsanız siz de bulabilirsiniz. Bu denklemden yola çıkarak, Dünya’da 9 yıl geçerken gemidekiler için 7.79 yıl geçtiğini buluyoruz.

ELEKTRON – POZİTRON ROKETİ
Elektron ve pozitron reaksiyonları sadece gamma ışınları üretir ve gamma ışınlarını direkt itki üretmek için kullanabileceğimiz bir yöntem yoktur. Açığa çıkan gamma ışınlarını soğuracak ve elde edilen enerji ile itki sağlayacak bir yelken fikri de henüz oldukça kuramsaldır.

TERMAL ANTİMADDE ROKETLERİ
Bunlar tıpkı nükleer termal roketler gibi ikincil bir yakıtın ısıtılıp püskürtülmesi yöntemi ile çalışan roket çeşitleridir. Daha az antimadde gerektirmeleri avantajlarıdır, ancak daha düşük itki ve verimlilikle yıldızlararası görevler yerine gezegenlerarası görevler için idealdir.

SOLİD CORE ROCKET / KATI ÇEKİRDEKLİ ROKET
Temel olarak nükleer termal roketlere, örneğin NERVA’ya benzer. En büyük farkı nükleer reaktör yerine atom numarası büyük, örneğin tungsten gibi bir element alır. Bu elementin yakınlarında gerçekleştirilen proton – antiproton reaksiyonlarından kaynaklanan gamma ışınları ve pionlar veya elektron-pozitron reaksiyonlarından kaynaklanan gamma ışınları tungsteni ısıtır. Ardından hidrojen yakıt tungstenin olduğu bölgeye püskürtülerek ısıtılır ve ısınan gaz püskürtülerek itki elde edilir. Yüksek itki üreten bu yöntemin yakıt performansı, materyal kısıtlamaları yüzünden nükleer termal roketlere yakındır.
NASA’nın NIAC programında incelenen antimadde ile çalışan Mars gemisi konsepti şunları sağlıyor:

Sadece 10 miligram pozitron, 428 ton TNT veya 23 uzay mekiği harici yakıt tankına denk gelen enerji barındırıyor. Bu miktardaki yakıtın üreteceği enerji, Mars’a bir ayda gidiş ve bir ayda dönüş yolculuğunu mümkün kılıyor.

Nükleer termal roketlerden çok daha basit bir yöntem olsa da antimadde üretiminin zorluğu sebebiyle yakın gelecekte nükleer termal yerine tercih edilmesi henüz beklenmiyor.

GAS CORE ROCKET / GAZ ÇEKİRDEKLİ ROKET
Bu yöntemde mikroskobik seviyelerde antimadde, sıvı veya gaz haldeki su veya hidrojen yakıta püskürtülür. Reaksiyonlar sonucu plazmaya dönüşen yakıt egzozdan püskürtülür. Bu yöntem katı çekirdeğe göre daha yüksek verimlilik ve daha yüksek ısı sağlar.

PLASMA CORE ROCKET / PLAZMA ÇEKİRDEKLİ ROKET
Gaz çekirdeği yöntemine oldukça benzer, ancak daha fazla antimadde kullanılarak yakıt plazmaya dönüştürülür. Katı ve gaz çekirdekli roketlerden çok daha yüksek egzoz hızları ve verimliliğe sahiptir.

POZİTRON SOĞURMA
Bu motor türünde egzozda kurşun tarafından çevrelenmiş materyal pozitron bombardımanına tabi tutulur. Açığa çıkan gamma ışınları çevresindeki kurşun kaplama tarafından emilir ve daha düşük enerjili X-ışınları açığa çıkar. X-ışınları materyalin geri kalanını buharlaştırarak itki sağlar.

HİBRİT ANTİMADDE KATALİZE FİSYON / FÜZYON
Orion nükleer darbeli itki yöntemi oldukça kaba kuvvettir, kuramsal ve teorik teknolojiler göz önüne alındığında görece ilkeldir, basittir. Nükleer patlamalar ile itki üretir. Fisyon bombalarının bu konuda en büyük kısıtlaması fizik kanunlarının 10 ton/42 GJ’den düşük enerjiye denk gelen veya 25 kilogramdan daha hafif nükleer patlayıcılara kritik kütle kısıtlaması sebebiyle izin vermemesidir. En küçük patlayıcı birimin kütle olarak büyük olması ve patlamaların şiddeti boyutları arttırmakta ve mühendisliği zorlaştırmaktadır. Ancak birazcık antimadde ile kritik kütle kısıtlamasının üstesinden gelmek mümkündür.

ANTIPROTON-CATALYZED MICROFISSION (ACMF) / ANTİPROTON-KATALİZE MİKROFİSYON
ACMF bir nükleer darbe itkisi yöntemidir. Harici nükleer patlamaların yaratacağı itkiyi kullanır ve Orion, Deadelous & Longshot projelerinin mirasıdır.

Penn State Üniversitesinin üzerinde çalıştığı teorik ICAN-II uzay gemisi sadece 140 nanogram antiprotonla Mars’a gidişi garantileyen bir araç tasarımıdır ve ACMF roketini temel alır. Oldukça yüksek miktarlarda açığa çıkan radyasyon uygun şekilde kalkanlanırsa, bu hibrit yöntem en az miktarda antimaddeyi kullanarak bu yüzyıl içinde Mars yolculuğu için alternatif bir yöntem olabilir. (Antimadde fabrikalarının inşa edileceğini varsayarsak tabi ki)

ICAN-II toplamda 625 ton kütlesinde bir araçtır. Bunun 82 tonu mürettebat ve yük için ayrılmış durumda. Bunlar onlarca fırlatma ile yörüngede inşayı gerektiren ve şu anda trilyonlar değerinde antimadde yakıt ihtiyacını temsil eden sayılar. Yani bugün için ve yakın gelecekte (2030 – 2050) yapılacak Mars görevleri için oldukça absürt ve pahalı sayılar ancak uzak gelecekte günlük hayatın ve uzay görevlerinin bir parçası olabilir.

Not: Yakında kullanıma girecek SLS roketleri, alçak Dünya yörüngesine modele göre 70 – 100 ton arası yük fırlatabilecekler.
NASA’nın şu anki Mars görev planı, Orion komuta modülüne eklenecek 16 aylık bir yolculuğa elverişli 20-40 ton aralığında bir derin uzay modülünü, bir sıvı hal roketine veya bir nükleer termal rokete veya bir iyon/plazma iticisine bağlamaya yönelik. Daha önceki yazılarımızda bahsettiğimiz gibi, kullanılacak roket teknolojisine göre bu yolculuk sıvı yakıt roketleri ile 16 ay, nükleer termal roketlerle 180 gün veya plazma roketleri ile 39 gün sürebilir.

ican-1211

ICAN-II ye güç veren roket şu şekilde çalışıyor; 3 gramlık 9:1 oranında Döteryum-Uranyumdan oluşan ve 200 gramlık küresel bir kurşun kaplama ile çevrelenen nükleer yakıt hücreleri 10^11 kadar antiproton ile bombalanır. Böylece her bir yakıt hücresi 72 ton TNT’ye denk gelen enerji açığa çıkararak 106.000 newton itki üretir ve saniyede 1000 kilometreye yaklaşan egzoz hızı sağlar. ICAN-II bu yöntem ile 0.015g’lik bir hızlanma elde ederek üç günde saniyede 25 kilometrelik bir hıza çıkabilir.
Benzer bir konsept de antimadde kullanarak p-B11 füzyon reaksiyonları üretmek. P-B11 en yüksek enerji potansiyeline sahip reaksiyonlardan biridir ve geleneksel yöntemler ile sürdürülebilmesi şu anda olanaksızdır. Ancak bu yakıt antiprotonlar ile bombalandığı zaman çok yüksek yakıt verimliliği ve itkiyle Güneş sisteminin insanlı keşfinin önünü açabilir. (Bkz: 3)

ANTIMATTER-INITIATED MICROFUSION (AIM) / ANTİMADDE-TETİKLEMELİ MİKROFÜZYON
Penn State Üniversitesi’nde geliştirilen başka bir fikir olan AIM de, bizzat yıldızlararası uzaya gönderilecek robot bir sondaya güç vermesi amacıyla tasarlanmış.

Çalışma şekli biraz daha farklı. Bir elektromanyetik alana yerleştirilen 100 milyar antiprotona bir miktar U-238 ve 42 nanogram döteryum/helyum-3 enjekte edilir. U-238 fisyon reaksiyonu başlatarak döteryum/helyum-3 karışımını plazmaya dönüştürür. Elektromanyetik alanda sıkışan plazma, 20 milisaniye boyunca füzyon reaksiyonu sürdürür. Açığa çıkan bu reaksiyonlar itki sağlar. Bu yöntem ile çalışan AIMstar sondasının Oort bulutuna (yaklaşık olarak 10.000 AU mesafeye) saniyede 960 kilometre sürat ile (ışık hızının 1/300’ü) 50 yılda erişmesi mümkün olabilir. (Bkz: 4)

Not: Referans için; Plüton’un şu anda yaklaşık 30 AU mesafede olduğunu ve Proxima Centaurinin 271.900 AU mesafede olduğunu hatırlatırız.

BİLİMKURGUDA ANTİMADDE ROKETLERİ

Daha önce antimadde bilimkurguda defalarca geçmiştir ancak bugün bilimsel Dünya’nın bir parçası olduğuna göre, gerçekten de nasıl kullanıldığını görebileceğimiz gerçekçi bir örneği incelemekte fayda var.

James Cameron’ın Avatar filmi hem bilimkurgu hem de bilim çevrelerince üzerinde en çok düşünülmüş, en gerçekçi yıldız gemisi modellerinden birine sahiptir.

ISV Venture Star yıldız gemisini filmin başında görebilirsiniz. Bu gemi gezegen yörüngesine girmekte kullanacağı bir füzyon roketine, iki hibrid antimadde/füzyon roketine ve bir ışık yelkenlisine sahiptir.

Isv

Avatar filmindeki Venture Star yıldız gemisi…

Venture Star, Güneş sisteminden ayrılırken yakıt kullanmaz, bunun yerine açıldığında kilometrelerce kare alan kaplayan ışık yelkenlisini açar. Bu yelkenli güneşe yakın bir yörüngeye inşa edilmiş ve gücünü güneşten alan çok güçlü bir lazer ile aylar boyunca hızlandırılır. Gerçekten de güneş yelkenlilerinin ve lazer yelkenlilerinin bu şekilde işe yarayacağını biliyoruz. Çok güçlü bir lazerin bu şekilde bir gemiyi ışık hızının 70%’si bir hıza 6 ayda çıkarması artık bilimkurgu değildir, sadece bir mühendislik problemidir.

Gemi 0.7c sürat ile 6 yıl seyahat ettikten sonra kendi ekseni etrafında 180 derece döner ve hidrojen/anti-hidrojen reaksiyonları ile çalışmaya başlayıp fazladan hidrojeni füzyon reaksiyonuna sokarak ekstra itki elde eden roketlerini çalıştırır. Aylar içerisinde gemi 0.7c süratten Pandora yörüngesine girebileceği düşük hızlara kadar yavaşlar.

Geri dönerken de aynı roketlerini kullanarak kalan yakıtını harcayarak 0.7c sürate çıkar, 6 yıllık seyahatten sonra ışık yelkenlisini açarak Güneş sisteminden ateşlenen lazer yardımı ile yavaşlar ve Dünya yörüngesine girer.

Bu gemi bilimkurgudur ama imkansız değil, teorik olarak inşa edilebilecek bir gemidir. Tabi ki antimadde üretimi, antimaddenin muhafaza edilmesi, yüksek güçlü lazer, yaşam destek sistemleri ve daha niceleri gibi sayısız mühendislik problemini barındırsa da, uzak gelecekte gerçekten de benzerlerinin görülebileceği mantıklı bir modeldir.

Sevgili okurlar, antimadde roketlerinin nasıl çalışacağını ve bu roketleri kullanan gemilerin neye benzeyeceğini işledik. Kendi ömrümüzde göremeyeceğiz, en fazla antimadde üretiminin artacağına dair haberler duyarak yetinebiliriz. Ama gelecekte torunlarımız ve onların devamından gelecek nesiller için bu teknolojiler ve henüz akla hayale gelmeyen gelişmiş versiyonları bir gün gerçek olacak ve başka yıldızlara ulaşmalarını sağlayacaktır.

Hazırlayan: Berkan Alptekin
Düzenleme:
Sibel İnce


teleskoplar-2254-2-meade

Amacınıza en uygun ve en kaliteli teleskop ya da dürbünü, en uygun fiyata sadece Gökbilim Dükkanı‘nda bulabilir, satın alma ve kullanım sürecinde her zaman bize danışabilirsiniz.
GÖKBİLİM DÜKKANI’NA GİT

Hep daha fazla okumak gerekir...

Yorum

Yazar Hakkında

Berkan Alptekin