Evrenin Keşfi Tüm Yazılar

Geleceğin İtki Sistemleri 4: Füzyon Roketleri

Hazırlayan: Berkan Alptekin
Facebooktwittergoogle_plusredditlinkedintumblrmail

Bu makalemizi okumadan önce, eğer okumadı iseniz yazı dizimizin daha önce yayınladığımız birinci, ikinci ve üçüncü bölümlerini okumanızı öneririz. Ayrıca burada göreceğiniz birçok terimi anlayabilmek için şu makalemizi okumuş olmanız gerekmektedir. 

Uzayın insanlı keşfi, günümüzde kullandıklarımızdan çok daha gelişmiş roketler yapmamıza bağlıdır. Kimyasal roketler ile Mars yolculuğu 6 ay sürerken, VASIMR ve MPD plazma roketleriyle 39 gün sürebilecek olması heyecan veriyor.

Bu süreyi daha da kısaltmak istersek o zaman füzyon enerjisi anahtar olacaktır. Füzyon reaksiyonları yüksek miktarda elektrik üretebilirken, özellikle anötronik yakıt kullanan bir füzyon roketiyle Mars yolculuğu bir aya düşürülebilir.

Gemimiz radyasyona karşı güçlendirilmediyse, santrifüj ile yer çekimi üretecek yapıda değilse, ya da yer çekimsiz ortamın ve radyasyonun etkisini azaltan “sihirli” ilaçlarımız yoksa, uzayda ne kadar az zaman geçirirsek bizim için o kadar sağlıklı olur. Uzayın sağlık üzerindeki etkisi ve ulaşım süreleri gözönüne alındığında, nükleer enerjinin sahip olduğu muazzam enerji yoğunluğu; er ya da geç Güneş Sistemi içerisindeki yolculuklarda plazma roketleriyle başa baş giden bir zorunluluk olacak ve Güneş’ten uzak gezegenler ile uydularında enerji üretiminin vazgeçilmezi olacaktır.

discoveryII45874

Şu an tasarım halindeki gezegenler arası uzay araçlarından biri.

Önceki yazılarımızda bahsettiğimiz VASIMR ve Manyetoplazmadinamik roketlerinin çok ciddi enerji ihtiyaçları vardır. Uygun boyutta Güneş panelleri, Mars yörüngesi içerisinde yeterli olsa da, Güneş’ten uzaklaşıldıkça verimlilikleri çok düşecektir. Bir de araca katacakları ek kütle de ayrı bir soru işaretidir. Eğer aynı enerjiyi ve fazlasını nükleer bir reaktör daha düşük kütleyle sağlayabiliyorsa, reaktör tercih edilebilir. Fisyon reaktörleri oldukça verimli, küçük ve hafif olabilir; ama füzyon reaksiyonlarında kullanılan hidrojen gibi uzayda hali hazırda bolca bulunabilecek bir yakıtı yoktur. Atık yakıtla uğraşmak ve yaydığı ağır radyasyon da ayrı sorunlar oluşturabilir.

Yine de bunlara rağmen, hem elektrik üretimi hem de itki sağlamakta, hatta füzyon reaktörlerini çalıştırmakta kullanılabilirler. Füzyon, materyal teknolojileri geliştikçe yeteri kadar küçültüldüğünde ve hafifleştirildiğinde yakıtı her yerde bolca bulunan çok verimli bir enerji kaynağı olarak Güneş Sistemi’nin her yerinde kullanılabilir.

Kendi kendini besleyen füzyon sürdürülemezse bile, füzyon reaksiyonları yine de VASIMR ve benzeri roketlere enerji sağlayacak şekilde kısa süreli reaksiyonların üretiminde faydalı olacaktır.

Elektrik üretmenin yanısıra, direkt itki üreten füzyon roketleri de plazma roketlerine güçlü bir alternatif olabilir. Sürdürülebilir füzyon reaksiyonlar ile bir yakıtı ısıtarak püskürtmek ya da füzyon sonucu üretilen yüksek enerjili ürünü itki amacıyla kullanmak, veya gemimizin arkasında yakıt hücreleri ateşlemek, hatta termonükleer bombalar patlatmak gibi başlıca kullanılabilir yöntemleri vardır.

NASACopernicus

Nükleer reaksiyonlar ile çalışan bir başka uzay aracı konsepti.

Füzyon enerjisinden bir reaktör ile faydalanacak araçların anötronik reaksiyonlar tercih etmesi gerekir. D-D (Döteryum-Döteryum) ve D-T (Döteryum-Trityum) reaksiyonlarında füzyon enerjisinin sadece %20-30’u kullanılabilirken, anötronik reaksiyonlarda nötron üretimi neredeyse sıfır olacağından bütün füzyon enerjisi kullanılabilir. (Nötron üretiminin neden sorun olduğunu şu makalemizde açıklamıştık.)

Uzay yolculuğu için en pratik reaksiyon olan D-He3, p-11B’den çok daha az enerji girdisi ister, bu nedenle yakın gelecekte uygulanması kolaydır. Termonükleer füzyon makalemizde belirttiğimiz gibi, Helyum-3 (He3) Ay yüzeyinde Güneş rüzgarlarının etkisiyle bolca birikmiştir. Gaz devleri de Helyum-3 açısından zengindir. Ayrıca asteroidlerde, kuyruklu yıldızlarda, gaz devlerinin halkalarında ve uydularında bolca bulunan buzdan döteryum elde edip, bu döteryumu nötron bombardımanına tutarak Trityum üretimi yapılabilir. Termonükleer füzyon makalemizde açıkladığımız gibi, Trityum bozunduğunda Helyum-3’e dönüşecektir.

Discovery-II
Füzyonu sürdürebilmek için plazmanın hapislenmesi gerekir. Üzerinde en çok araştırma yapılan manyetik hapisleme yöntemleri ağır tokamak reaktörlerinin kullanımını gerektirir ve bunlar şu anki halleriyle uzay için elverişli değildir. Ama NASA Glenn Araştırma Merkezi 2001 yılında görece hafif küresel bir tokamak reaktörü kullanan Discovery II isimli bir tasarım hazırladı; inceleyelim.

Discovery_II

Proje aşamasındaki Discovery II gezegenler arası insanlı uzay aracı.

172 tonluk yükü, Jüpiter’e en az 118 günde teslim edebilecek 1.690 tonluk bir gemidir Discovery II. Peki şu anda Jüpiter yolunda olan (2016 ortalarında ulaşacak) Juno sondasının seyahati 5 yıl sürerken nasıl oluyor da 118 gün?

Discovery-II tasarlanırken, yeterince uzun olduğu düşünülen insanlı Mars görevlerini bile gölgede bırakacak insanlı dış gezegenler görevleri göz önüne alınmış. 1.690 tonluk bu geminin sadece reaktörü 310 ton olacak. Uluslararası Uzay İstasyonu’nun 450 ton olduğu ve inşası için 115’den fazla fırlatma gerçekleştirildiğini göz önüne alırsak, Discovery-II’yi tek bir ülkenin altından kalkamayacağı kadar zorlu bir inşaat süreci bekliyor olabilir.

Discovery-II’nin füzyon reaktörünü çalıştırmak için yedek bir fisyon reaktöründen faydalanılır. Füzyon reaktörü çalıştırıldığında hem elektrik sağlarken, hem de gemide bulunan hidrojen yakıtı ısıtıp, saniyede 300 kilometreden fazla bir süratle püskürtecektir. Discovey-II tasarımı teknolojik olarak uygulanabilir bir seviyeye gelmeden önce, özellikle küresel tokamak reaktörleri ve D-He3 (Döteryum-Helyum3) füzyonu üzerinde derinlemesine araştırmalar devam etmeli, bu konseptlerin uygulanabilirliği ve performansı üzerinde kesin bir sonuca varılmalıdır.

Manyeto-Atalet Füzyon (Magneto Inertial Fusion – MIF)
Manyeto-Atalet Füzyon metotu, hem MCF hemde ICF yöntemlerinin özelliklerini kullanan görece küçük reaktörler ile kütle sorununu çözebilir.

Bildiğimiz gibi manyetik hapisleme devasa manyetik alanlar kullanırken, ICF güçlü lazerlere ihtiyaç duyar. Kullanabileceğimiz iki yöntemin birleşimi olan MIF metodunda, plazma elektro mıknatıslar ile hapsedilir ve saniyede 3 kilometrelik hızla merkezdeki bir silindirin içine çökertilir. Gerekirse lazerler ile fazladan basınç ve sıcaklık sağlanır. Silindirin çevresi lityum kaplıdır ve merkezde füzyon reaksiyonu ateşlendiğinde bu lityum itici yakıt görevi görür. Böylesi reaksiyonlardan her dakikada 200 tanesi gerçekleştirilir ve reaksiyon sonucu iyonize olan lityum ile, füzyon reaksiyonu ürünleri manyetik bir egzozdan püskürtülerek itki elde edilir. Temel olarak Orion Projesi benzeri bir yöntemdir. Bu füzyon reaktörü gücünü Güneş panellerinden veya yedek bir fisyon reaktöründen alabilir.

NIAC Füzyon Roketi (NIAC Fusion Driven Rocket – FDR)
NASA’nın NIAC çalışmalarınca 2012’de fonlanan projeye bir bakalım. Bu proje ile manyeto-atalet füzyon roketi tasarımı tekrardan ele alınmış.

Füzyon

NIAC Füzyon Roketi (NIAC Fusion Driven Rocket). Nasa tarafından yapılan bir konsept.

Tokamak füzyon reaktörleri uzayda kullanım için biraz fazla büyükler. En kompakt olarak kabul edilen küresel tokamak bir reaktöre sahip uzay araçları için bile 1.000 tondan yüksek kütle ön görülüyor. Karşılaştırmamız gerekirse, hala yapım aşamasında olan SLS roketinin alçak Dünya yörüngesi için planlanan maksimum yük kapasitesinin 130 ton olduğunu göz önüne alırsak, tokamak reaktörlerinin biraz daha gelişmesini ya da bir uzay asansörü inşa edilmesini beklemeliyiz.

FDR, Manyeto-Atalet Füzyon metotunu kullanıyor. Bu reaktörü kullanacak gemi çok daha düşük bir kütleye sahip olacaktır. Reaktöründe her dakika bir mikro saniye sürecek reaksiyonlar gerçekleşecek. Açığa çıkan enerji katı-hal lityum yakıtı ısıtmakta kullanılıp, yakıt yüksek bir egzoz hızıyla püskürtüldüğünde itki elde edilir. Günümüzdeki teknolojiyle hali hazırda yapılabilecek ilk füzyon roketi budur ve sadece bu roket bile gezegenlerarası yolculuğu sıradan bir hale getirebilir.

fdr4587

FDR roketinin egzos bölümünün şeması.

Tabi ki bu tam anlamıyla kendi kendini besleyen sürdürülebilir bir reaktör değil. Ancak bu şekilde dahi kimyasal roketlerin pabucunu dama atacaktır. Proje üzerinde çalışan takım Washington Üniversitesi’nde bir prototip inşa etti bile ve 2020’ye kadar yörüngede bir uzay aracında test edilebilecek seviyeye gelecekleri konusunda umutlular.

Z-Pinch Roketi
Daha önce de bahsettiğimiz z-pinch reaktörü uzayda manyeto-atalet füzyon (Magneto Inertial Fusion) tekniği ile kullanıldığında, füzyon reaksiyonu sonucu oluşan enerjiyi, manyetik egzoz direkt itkiye çevirir. Her reaksiyon sonunda plazma yüksek sıcaklık ve basınç ile sürekli genişleme eğiliminde olur. Öyle ki plazma manyetik akımı sıkıştıracak güçtedir, bu da itki sağlayan bir basınç oluşturur.

Z-Pinch roketinin temel şeması.

Bu plazma aynı zamanda katot görevi görürken, anot görevi görecek Lityum-6 izotopu plazma ile karışacak şekilde püskürtülecek. Böylesi bir roket, 350 ton yakıt ile Mars seyahatini 30 güne indirebilir. Bu yakıt miktarı günümüzdeki bir A380 uçağının taşıdığı maksimum yakıttan sadece biraz daha fazladır.

Gazdinamik Ayna Füzyonu (Gasdynamic Mirror Fusion)
Rusya’nın ve NASA’nın ayrı ayrı incelediği bu yöntem, manyetik ayna temelli bir füzyon itki yöntemidir. Teorik olarak füzyon ile elde edilebilecek en verimli itki çeşitlerindendir. Uzun ince tüp şekilli bir reaktörün merkezinde manyetik alanlar ve mikrodalga antenleri ile sürekli bir füzyon reaksiyonu oluşturulur. Manyetik alanlar ile plazma kontrol edilirken, reaksiyon bölmesinin iki yanında manyetik aynalar plazmayı merkeze odaklayıp arka egzozdan kaçmasını önler. Böylece plazma ve reaksiyon merkezde sabit bir şekilde korunurken, üretilen enerji hidrojen yakıtı ısıtarak püskürtür. Bu metodun en büyük sorunu, şu anki tasarımlar ile yüklü miktarda radyatöre (soğutucu) ihtiyaç duymasıdır.

gasdynamic_mirror_fusion_ship5488

Gazdinamik Ayna Füzyonu (Gasdynamic Mirror Fusion) kullanan bir geminin prototip tasarımı.

Gazdinamik Ayna Füzyonu, VASIMR ile oldukça benzer bir yapıya sahiptir ve araştırma geliştirme çalışmaları benzer teknolojiler ve teknikler ile sürdürülmektedir.

Elektron Işını Füzyonu (Electron Beam Fusion)
Teknolojik gelişim basamaklarının çok ilerisinde kalan bu teorik tasarımda, yüksek enerjili elektronlar ile manyetik hapis halindeki plazmada füzyon reaksiyonları oluşturulur. Işının oluşturacağı reaksiyonlar oldukça şiddetli olacağından çok güçlü manyetik alanlara ihtiyaç vardır. Teorik olarak sürekli kullanımdan ziyade seri aralıklarla ateşlenmesi için ideal bir sistemdir.

Bunlar dışında önerilen daha birçok füzyon roketi tasarımı mevcuttur; ancak, ana fikir vermesi açısında yakın gelecekte görebileceğimiz temel fikirleri derlemeye çalıştık.

Son olarak bir de bilimkurgudan bir örnek verelim. Interstellar filminin uzay gemisi Endurance’ı hatırlarsınız. Kendisi gelmiş geçmiş en gerçekçi bilimkurgu gemilerinden biridir. Tasarımında bizzat mühendislerin ve bilim insanlarının parmağı vardır.

Endurance, her birinde 3 egzoz bulunan 4 itki modülüne sahiptir. Bu egzozların her biri manyetoplazma roketleridir ve güçlerini her modülde bulunan birer kompakt tokamak reaktöründen alırlar. Bu sayede gemi çok az yakıt kütlesi ile onca yolu katedebilmiştir.

Lockheed Martinin söz verdiği gibi kompakt füzyon reaktörlerimiz ve manyetoplazma ya da VASIMR roketlerimiz olduğunda, benzer bir gemi tasarımı Güneş Sistemi’nin keşfi için oldukça ideal olacaktır.

SONUÇ

Göründüğü gibi ne kadar zorlu ve pahalı olsa, geliştirilmesi şimdiden bir insan ömründen uzun sürmüş de olsa ve fikir babaları güzel sonuçlarını asla göremeyecek olsa bile, füzyon için harcanan bunca emeğe değer. Çünkü bilim budur; bilgi birikimimiz ve teknolojimiz, geçmişten gelen edinimlerimiz sayesinde büyüyüp gelişmektedir.

star-trek-voyager

Evet, belki Star Trek’in ünlü gemisi Voyager gibi ışık hızının 1.000 katına ulaşabilecek gemiler yapabilmek henüz hayallerimizin bile ötesinde. Ancak, bilgi birikimlerimizi üst üste koyarak yavaş fakat kararlı biçimde ilerlemeye devam ediyoruz.

Füzyon, bu yüksek potansiyeli ile bir kere yaygınlaştıktan sonra çok uzun yıllar boyunca Dünya’da ve Güneş Sistemi’nde kullanılacaktır. Ancak nihai amacımızın başka yıldızlara ulaşmak olduğunu varsayarsak, füzyon dahi yeterli değildir. Yıldızlararası yolculuk için en yüksek olasılığı hala Geleceğin İtki Sistemleri 3‘de bahsettiğimiz Orion ve Daedalus projeleri vermektedir.

Tabi yazı dizimizin devam bölümlerinde bahsedeceğimiz uzay yelkenlileri ve ramjetler bize yeni olasılıklar sağlayabilir. Özellikle çıtayı bir sonraki seviyeye çıkarıp antimaddeden bahsettiğimizde teknolojimizin sınırlarında nasıl olasılıklar olduğuna şaşırabiliriz.

Berkan Alptekin

Not: En üstte yer alan ana görsel, 1982 yapımı Star Trek Wrath of Khan filmindeki ünlü USS Reliant gemisine aittir.

Hep daha fazla okumak gerekir...

Yorum

Yazar Hakkında

Berkan Alptekin