Geleceğin İtki Sistemleri – 6 – Işık Yelkenlileri

1610’da Kepler’in Aklına Gelen Fikirden, 2015’de Yörüngede Yelken Açan Uzay Aracına Kadar Işık Yelkenlileri.

Atalarımız denizlerde ilk kez yelkenli kullanmaya başladıkları zaman bu yöntemin bir gün uzayda da işe yarayacağını bilemezlerdi. Bizim neslimiz bile Güneş’ten veya insan yapımı lazerlerden ışık alan dev yelkenler fikrinden bihaberdir. Ancak gerek matematik gerekse yakın zamanda yörüngede yapılan bir test bize bu yöntemin işe yaradığını gösterdi.

Yani bir uzay aracının önüne Güneş’ten gelen ışığı yakalayacak büyük bir yelken yerleştirirseniz roket yakıtı harcamadan aracı hızlandırabilirsiniz. Bu itkinin yönlendirilmesi zor olsa da, çok güçlü lazerlerle ışık yağmuruna tutulan yelkenlilerin ışık hızının ciddi yüzdelerine erişebilmeleri mümkündür.

Peki, bir elektromanyetik radyasyon türü olan kütlesiz fotonlardan oluşan ışık, nasıl oluyor da yelkenliyi itebiliyor? 

RADYASYON (IŞINIM) BASINCI

Radyasyon basıncı, elektromanyetik radyasyon türlerinin herhangi bir maddeye uyguladığı, kendini emilim ve/veya yansıma olarak gösteren bir etkileşimdir. Radyasyon basıncı ile ortaya çıkan güçler çok zayıftır ama astronomi ve astrodinamikler açısından büyük etkiye sahiptirler. Örneğin Marsa gönderilen Viking araçlarının maruz kaldığı radyasyon basıncı önceden hesaplanmamış olsaydı, rotalarında 15.000 km’lik bir sapma olacaktı.

Yansıma:

Fotonlar kütlesizdir ancak hem dalga hem de parçacık özellikleri göstermektedirler. Dalga-parçacık ikilemi denen bu özelliklerinde parçacık karakteristiğinden gelen enerji ve momentum, ışık hızında hareket eden bu parçacıkların madde benzeri özellikler göstermesini sağlar. Bu sebeple fotonlar bir maddeye çaptıklarında yansıma yaparken maddeye Newton’ın ikinci ve üçüncü kanunları uyarınca momentumlarının bir kısmını aktarırlar.

Emilim:

Maxwell’in elektromanyetizma teorisine göre elektromanyetik dalga momentum taşır. Bu momentum herhangi bir emilim yapan ya da yansıma yapan yüzey tarafından emilebilir. Fotonların dalga karakteristiği de bu şekilde momentum uygulamalarına sebep olur.

Salma(Emisyon) sonucu oluşan radyasyon basıncı:

Elektromanyetik radyasyon türlerine maruz kalan madde ısınır ve ısınma sonucu termal enerji saçar. Termal enerji saçan yüzeyler, bu radyasyonun saçılımından kaynaklanan reaktif etki sayesinde momentum sahibi olur.

Güneşimiz gibi bütün yıldızlar bu şekilde çevrelerindeki cisimlere radyasyon basıncı uygulayarak enerji taşır. Dünya yörüngesi civarında (1AU), güneşimizin uyguladığı bu radyasyon basıncı 9.08 mikro paskaldır (mikro newton/metrekare).

Tahmin edebileceğiniz gibi küçük asteroidler, uydular gibi küçük cisimler bu radyasyondan düşük kütle ve atalet özellikleri sebebiyle daha çok etkilenir.

Radyasyon basıncı ile ilgili en dramatik örnek, yüzlerce dış gezegen (Güneş sistemi dışı) keşfetmemizi sağlayan Kepler Uzay Teleskopu ile ilgilidir. Dört adet reaksiyon tekerinden (yakıt harcamadan çok düşük oranlarda dönüş sağlayan momentum üreticiler) birini kaybeden Kepler, Güneş’ten kaynaklanan radyasyon basıncı ile denge sağlayıp hala gözlem yapabilmektedir. Güneş kaynaklı bu enerji ile uzayda yelkenli kullanma fikrini ilk ortaya atanın da Johannes Kepler olması güzel bir rastlantıdır.[1]

GÜNEŞ YELKENLİLERİ

Radyasyon basıncını anladığımıza göre bunun nasıl bir yelkenli olacağına bakalım.

Kesinlikle dünyadaki yelkenlilerden çok daha yavaş hızlanacaktır, normal bir yelkenli teknenin süratine sahip olması için bile günler geçebilir. Ancak uzayda sürtünme olmadığı için aracımız sürekli hızlanmaya devam edecektir.

Öncelikle biraz tarihçe:

Temel olarak fikir babası ünlü Alman matematikçi ve astronom Johannes Kepler‘dir. 1610’da gözlemlediği kuyrukluyıldızın kuyruğunun Güneş’ten aksi yöne uzanıyor olması sonucu Galileo’ya şöyle bir mektup yazmıştır:

“Uzaydaki esintilere uygun gemiler ve yelkenler sağlanırsa, boşluğa bile göğüs gerecek cesarette kimseler ortaya çıkacaktır.”

Gerçekten de uzay yelkenlileri fikri daha iyi özetlenemezdi.

1861-64 yılları arasında İskoç asıllı ünlü fizikçi James Clerck Maxwell, yayınladığı makalede elektromanyetik alanlar ve radyasyon teorisini yayınlayarak, ışığın momentumu olduğunu ve maddeye basınç uygulayabileceğini öne sürmüştür. Böylece Maxwell’in denklemleri güneş yelkenlilerinin ilk temelini atmış oldu.

1899’da Pyetr Labedev, fikrin ilk deneysel uygulamasını göstermiştir. Einstein p=E/c denklemi ile momentumun enerji ve ışık hızı ile olan ilişkisini ortaya çıkarmıştır.

1908’de Svante Arrhenius, Güneş kaynaklı radyasyon basıncı ile yaşamın temel yapı taşlarının uzak yıldızlara ulaşabileceği fikrini ortaya atmıştır. 1925’te ise Friedrich Zander, çok ince ve büyük yelkenler ile inanılmaz süratlere ulaşılabileceğini ortaya çıkaran teknik analizleri yapmıştır.

20.yüzyıl boyunca birçok bilim insanı bu konuda çalışma yaptıktan sonra, ilk resmi teknolojik uygulama pratikleri 1976’da NASA Jet İtki Laboratuvarları’nda başlamıştır.

Karakteristikler:

Güneş yelkenlerinin 800 metreden 15 kilometreye kadar değişen boylarda çeşitli modelleri tasarlanmıştır. Güneş’ten hatırı sayılır ivmeler elde etmek için bu yelkenlerin kilometrelerce alan kaplaması gerekebilir. Genel olarak kullanılması planlanan materyal 2 mikro metrelik Kapton film, Güneş’ten 0.25AU mesafeye kadar ısıya dayanabilir.

Şu anda geliştirilmekte olan karbon fiberler ve gelecekte moleküler seviyede işlenen nano tüp materyaller yelkenler için oldukça ideal malzemeler olacaktır.

Ayrıca NASA’nın NIAC çalışmaları, Alumina’nın çok etkili bir lazer yelkenlisi ve karbon fiberlerin de verimli bir mikrodalga yelkenlisi olacağını göstermiştir.

Uzayda kullanımı:

Gelecekte uzayda üretilip işlenecek böylesi malzemelerle Dünya’dan fırlatmanın çok zor olacağı devasa yelkenler inşa edilebilir ve insanlı görevler gerçekleştirilebilir.

Yapılan çalışmalara göre sadece 800 metrelik bir Güneş yelkeni dahi Mars’a 2 tonluk bir yükü 400 günde veya 9 tonluk bir yükü 700 günde ulaştırabilir. 2000 metrelik bir yelken ise Mars’a 400 günde 23 ton taşıyabilir. Tabi bu yelkenlilerin verimliliği uzak mesafelerde ortaya çıkıyor. Jüpiter’e 2 yıl, Satürn’e 3.3 yıl, Uranüs’e 5.8 yıl ve Neptün’e 8.5 yıl (Voyager 2 Neptün’e 12 yılda ulaşmıştır) sürebilecek yolculuklar, özellikle yörüngeye girişin gerekmediği yakın geçiş görevleri için oldukça idealdir. Bir Güneş yelkenlisi bu dış gezegenlere saniyede yaklaşık 17-20 kilometre arası hızlarda ulaşacağı için yavaşlama sorundur. Araç yanında yörüngeye girmesine yardım edecek bir roket taşımıyorsa gezegenlerin atmosferini kullanarak aerobraking denen frenleme yapılması tek çözümdür. Tabi bu frenleme de yüksek hızlarda oldukça risklidir.

Frenleme gerektirmeyen görevleri, örneğin Oort bulutuna 30 yıl sürecek bir görevi, yelkenlilerle gerçekleştirmek mümkündür. Özellikle çok yüksek sıcaklığa dayanıklı bir yelkeni Güneş’in 0.05 AU mesafesinde açmak, 36.4 m/s^2’lik bir hızlanma ile saniyede 950 kilometreye sadece bir günde ulaşılmasını sağlayabilir.

Gelecekte Güneşe doğru fırlatılan ısıya dayanıklı bir uzay aracını 0.05 AU’da yelken açarak daha önce sadece hayal edebileceğimiz hızlarda derin uzaya göndermek sanılandan çok daha kolay olacak.

Güneş yelkenlileri ile yıldızlar arası görevler:

Güneşe yakın mesafelerde yelken açan bir araç yıldızlara da gönderilebilir ve hiç yakıt harcamadan ulaşacağı yıldızın radyasyon basıncı ile yavaşlayarak yörüngeye girebilir. Örnek olarak hızı saniyede 1000 kilometreye çıkan bir yelkenli Proxima Centauri’ye ortalama 1200 yılda ulaşabilir. Günümüz roketlerinin ulaştığından çok daha kısa olan bu süre yine de istediğimiz kadar kısa değildir.

Yelken boyutunu büyütmek ve kullanılan malzemeyi olabildiğince hafif yapmak her zaman işe yarar ama çok daha yüksek hızlar için, lazer ya da mikrodalga gibi yönlendirilmiş enerji ile uzun mesafelerden dahi yelkenin sürekli hızlanmasını sağlamak gerekir. Çok yüksek güçlü bir lazer, aracı ışık hızının yüksek yüzdelerine kadar çıkartarak yolculuk süresini gayet kabul edilebilir olan 10 yıla düşürebilir. Tabi çok yüksek süratlerde hedef yıldızın radyasyon basıncının yavaşlama için yetersiz olması sorunu ortaya çıkacaktır. Bu sebeple araca az yakıtlı yüksek enerjili bir roket, örneğin bir antimadde roketi eklemek yavaşlamasını sağlamakta oldukça yardımcı olabilir.

IŞIK YELKENLİSİ TÜRLERİ

Herhangi bir materyal bir yıldızdan kaynaklanan radyasyon basıncını hızlanmak veya yavaşlamak amacıyla kullanabilir. Ancak çeşitli metotlar için farklı yelkenli türleri bir yıldızdan kaynaklanan radyasyon basıncından çok daha verimli olabilir. Bu metotları inceleyelim.

Lazer Yelkeni

Dünyadaki veya uzaya yerleştirilmiş bir lazer Güneş ışığından çok daha yüksek bir enerji yoğunluğuna sahiptir, bu sebeple kullanılacak yelken çok küçük olabilir. İnşa edilecek çok güçlü lazerler insan ömrü içerisinde yıldızlara ulaşmayı mümkün kılabilir.

İnsansız görevler tabi ki çok daha kolay olacaktır. NASA, NIAC çalışmaları kapsamında 50-70 gigawattlık bir lazerin, 1 metrelik lazere sahip bir gramlık bir robotu sadece 10 dakikada ışık hızının %26’sına ulaştırabileceğini öngörmüştür. Tabi ki böylesi küçük bir aracın hem iletişim kurup hem de elektrik üretebilmesi için her nanometresinin nanoteknoloji ile üretilmiş bir nanoteknoloji harikası olması gerekir.

Daha yüksek kütleli araçların hızlandırılması daha uzun sürse de, diğer bütün metotlardan daha hızlı olacaktır. Özellikle teknolojimiz geliştikçe gücünü bizzat Güneş’ten alan, Merkür yakınlarına yerleştirilen lazerlerin aydınlattığı yüzlerce kilometrelik yelkenlerle taşınan yüzlerce tonluk yükler ışık hızının önemli yüzdelerine hızlandırılabilir.

Mikrodalga Yelkeni

Lazer yerine mikrodalgaları kullanmak da mümkündür ve testleri bizzat NASA Jet İtki Laboratuvarlarında yapılmıştır. Genel olarak lazerlerden çok daha uzun süre kullanılan, üzerinde uzmanlaşılmış aygıtlar olsa da aynı mesafe için lazerlerden çok daha büyük mikrodalga cihazları gerekmektedir. Ancak mikrodalgalar çok daha yüksek hızlanma sağlarlar. Yani lazerlerin dünyadan fırlatamayacağı düşük kütleli araçları mikrodalgalarla fırlatmak mümkündür.[2]

Elektrik Yelkeni

Bu yelkenli türünde elektrik alan oluşturmak için küçük kablolarla çevrili yelken, Güneş rüzgarı kaynaklı pozitif protonları iterek momentum kazanır. Bu yelken türünü gezegenlerin manyetosferi içerisinde kullanmak güneş rüzgarları girmediği için pek mümkün değildir.

Manyetik Yelken

Elektrik yelkeni benzeri bu yelken ise Güneş’ten gelen yüklü parçacıkları manyetik alanlarla yansıtarak momentum elde eder. Bu yelken türü manyetosfer içinde de rahatlıkla işler.

YELKEN GÖREVLERİ

Znamya 2 ve Znamya 2.5:

1993’te Eski Rus uzay istasyonu Mir’den bırakılan bu ilk sondalar 20 metrelik yelkenler taşıyorlardı ancak Znamya 2 herhangi bir hızlanma göstermezken, Znamya 2.5 yelkenlerini dahi açamadı.

Cosmos I:

Planetary Society tarafından üretilen Cosmos I, bir Güneş yelkeni taşıyan ilk uzay aracıydı ancak rokette meydana gelen bir arıza sebebiyle gerekli yörüngeye oturamadı.

Ikaros 2010:

2010’da JAXA (Japon Uzay Ajansı) tarafından fırlatılan bu ilk yelkenli 14×14 metrekare büyüklüğünde ve 7.5 mikro metre inceliğindeydi.

Ikaros hem en küçük hem de ilk Güneş yelkenli gezegenler arası araç olarak kayıtlara geçerek, yelkeninin de yardımıyla Venüs’e ulaştı. Bu süre boyunca yelken kontrolü konusunda da çalışmalar yapıldı.

Ikaros şu anda Güneş çevresinde bir yörüngede, yetersiz güç sebebiyle sadece belli aralıklarla uyandırılarak çalışmalara devam ediyor. Bir sonraki uyandırılışı 2015 kışında olacak.

LigthSail:

2015’te ABD Hava Kuvvetleri’ne ait X-37B insansız uzay uçağı ile yörüngeye fırlatılan Planetary Society’ye ait LightSail-1 isimli küp uydu 32 metrekarelik yelken taşıyordu. Yörüngeye yerleştirilişinden sonra bazı elektrik problemleri yaşayan uydu, sonunda yelkenlerini açarak başarılı şekilde testlerini gerçekleştirdi.

Önümüzdeki sene fırlatılacak LigthSail-2, yelken kontrolü üzerinde deneyler yapacakken bir sonraki uydu LightSail-3, L1 Lagrangian noktasına yerleştirilerek Güneş’in jeomanyetik fırtınaları üzerine araştırmalar yapacak.

NASA’nın 2018’de fırlatılacak yelkenli taşıyan NEA-scout uydusu, dünyaya yakın 1-100 metre arası asteroidlere gidip yakından gözlem yapacak.

Göründüğü gibi yakın gelecekte çok ciddi projeler olmasa da yelkenli kullanımı konusunda bilgi dağarcığımızı arttıracak birçok çalışma mevcut. Ikaros 2010 gibi gezegenler arası görevler içinse biraz daha beklememiz gerekiyor.

Berkan Alptekin

Kaynaklar
1. https://www.nasa.gov/kepler/keplers-second-light-how-k2-will-work
2. http://arxiv.org/pdf/1112.3016.pdf