KOZMİK ANAFOR
Evrenin Keşfi Kozmik Anafor Arşivi Popüler Bilim

Fantastik Uzay Projeleri: Gök Kancası

(Görsel Kaynağı: Getty Images)
Bu yazıyı yaklaşık 7 dakikada okuyabilirsiniz.

Ah şu kaçış hızı yok mu? Dünya bizi bir rahat bıraksa, uzayın keşfinde neler yapacağız ama tutturmuş bir kütle çekim kuvveti, bırakmıyor ki gidelim! Neymiş efendim, ona potansiyel enerji borcumuz varmış, ödemeden çıkamazmışız. Olmalı, bir yolu olmalı. Dünya’nın kütle çekim kuvvetinden kurtulmanın bir yolu olmalı!

Maalesef, anladığımız fizik kuralları çerçevesinde bundan kurtuluş yok. Fakat manipüle etme şansımız var: Yörüngeye bir Gök Kancası yerleştirmek”.

Peki nedir bu kaçış hızı? Ana konumuza gelmeden, bu konuyu kısaca özetleyelim. Elimizde Dünya’dan çıkarmak istediğimiz bir kütle var, roket diyelim. Bu kütlenin, gezegenimizi terk edebilmesi için bir “İş” yapılması gerekiyor. Lise fizik bilgimizi kullanarak, işi matematiksel olarak tanımlayalım:

W = Fx  yani; İş = Kuvvet x Mesafe. Burada kuvvet, Newton’un evrensel kütle çekim kuvvetidir, şöyle ki:

m1, m2 sırasıyla Dünyamızın kütleleri, r; Roket henüz Dünya’dayken Dünya’nın yarı çapını temsil etse de, genel olarak 2 kütlenin merkezleri arası mesafe olarak tanımlanabilir.

 

Yapmamız gereken, roketi Dünya’nın kütle çekiminin dışına çıkarmak için gereken iş miktarını (harcanması gereken enerjiyi) bulmak. Burada, roket Dünya’dan uzaklaştıkça r değişeceği için integrale başvurmamız gerekecek.

(Basitçe böyle diyemeyiz.)

 

Şeklinde hesaplanmalıdır.

 

İntegralin r’den ’a gitme sebebi, roket Dünya üzerindeyken, Dünya’nın merkezine r uzaklıktadır ve kütle çekim kuvvetinin 0 olabilmesi için de sonsuz uzaklığa gidilmesi gerekir. Burada sonsuz uzaklık, kütle çekim kuvvetinin hissedilmeyeceği kadar uzak bir mesafe olarak düşünülebilir. Eşitliği çözersek;

olarak enerji ihtiyacımızı bulmuş oluruz. Bu, Dünya’mıza ödememiz gereken enerji miktarıdır (Atmosferdeki sürtünme göz ardı edilmiştir). Bunu da roketimize vereceğimiz hızdaki kinetik enerji ile sağlayacağız.

Denklemleri eşitlersek;

Dikkat edersek, denklemde cismin kütlesi elendi. Yani uzaya göndereceğimiz şey, 1 misket tanesi de olsa, Saturn V roketi de olsa, aynı kaçış hızına sahip olmalıdır.

Bu büyük zorluk, bilim insanlarını farklı yöntemler üzerinde düşünmeye sevk etmiştir. Nasıl ki günlük hayatımızda kullandığımız yollar, havaalanları vs. var ise, uzay yolculuklarını da düzenli hale getirebilmek için kalıcı “uzay altyapılarının” kurulması düşünülmüştür. Bu tarz fikirler arasında en popüler olanı uzay asansörüdür: Bir ayağı Dünya üzerine çok sağlam bir şekilde ankrajlanmış, diğer ucu Dünya’dan yüzlerce kilometre yukarıda konumlanmış balans ağırlığı, bu iki ucun arasında çekilmiş bir urgan ve bu noktalar arasında urgan üzerinde gidip gelecek olan bir taşıyıcıdan oluşan sistem… Muhteşem görünmekle birlikte, pek çok sorunlar barındıran bir yapı. Tüm bu yapıyı Dünya’ya sabitlemek, urganın dış etkenler nedeniyle kopma riski, taşıyıcıyı sürekli çıkarıp indirecek enerjinin sağlanması gibi teknik problemlerin yanı sıra akıl almaz maliyetler de söz konusu. Bu sorunlar neticesinde uzay asansörü -şimdilik en azından- pek olası değil gibi duruyor.

(Görsel Kaynağı: Glenn Clovis)

 

Ancak uzay asansörünün aksine; denenmiş, çok daha ucuz ve uygulaması basit bir yöntem var. “Gök Kancası” olarak adlandırılan bu sistemde, urganı Dünya’ya bağlamak yerine uçları serbest halde Dünya’nın yörüngesine bırakıyoruz. Bir ucunda denge ağırlığı, diğer ucunda da kanca olacak şekilde Dünya’nın etrafında dönmesinin yanı sıra kendi etrafında da dönmesini, spin atmasını sağlıyoruz. Bir an kanca ucu Dünya’ya bakıyor, daha sonra ağırlık ucu. Bu devir sürekli devam ediyor. Atmosferin sürtünmesinden etkilenmemek için de en düşük noktadaki yüksekliğimizi Dünya’dan yaklaşık 100 km olarak belirliyoruz. Gök kancamızın urgan uzunluğunun 1000 km civarında olması gerektiğini de belirtelim.

Sistemin kanca ucu Dünya’ya yakın konumdan geçerken, uzay mekiği kancaya bağlanıyor. Bu esnada kancamızın Dünya’ya göre anlık bağıl hızı 0 olacaktır. Mekik kanca ile birlikte spin atarken Dünya’ya en uzak noktada mekiği bırakarak uzaya fırlatıyor. Bu sayede faydalı yük miktarı artarken, yakıt ihtiyacı ve dolayısıyla atmosfere bırakılan zararlı gazlar ciddi derecede azalmış oluyor. Kancaya bağlanmak o derece kolay olmasa ve özel tasarım mekikler gerektirse de günümüzde fırlatılan devasa roketlerden daha ekonomik olacağı kesin.

 

Gök Kancası için yapılan çok farklı tasarımlar var:

  • Dünya etrafında dönen ancak spin atmayan gök kancası. Daha basit, ilk denemeleri yapılmış ve de günümüz malzemeleri ile üretilebilir. Ancak faydalı yük taşımaya katkısı sınırlı.
  • Dünya etrafında dönerken kendisi de spin atan (Yazımızda incelenen)
  • Kombine çalışacak olan 2 sistem, biri Dünya’ya yakın, diğeri hemen onun üzerinde yer alıyor. 1. kanca, yükü 2. kancaya transfer edecek ve 2. kanca yükü daha yüksek hıza çıkarabilecek.
  • 2 elips üzerinde yörüngeye sahip, böylece farklı anlarda farklı açısal hızları olan kalp şekline benzeyen yörüngesi nedeniyle kardiyo-rotovatör olarak adlandırılan gök kancası. (2)

Elbette tasarımlar bunlarla da sınırlı değil. Farklı konseptler geliştirilmeye de devam edecektir. Her birisinin avantajları ve dezavantajları var. Yalnız, hangi tip olursa olsun, Gök Kancalarının da bir zayıf noktası var: Momentum kaybı. Her fırlatmada enerji kaybı olacağı için eğer bu enerjiyi yenilemez isek, sistem yavaşlayacak ve nihayet atmosfere girerek yanacaktır. “O zaman ben ne anladım bu işten?” demeyin. Asıl muhteşem olan tam da burası. Dünya ile olan kütle çekimden kaynaklı enerji hesaplaşmamızda “bir aracı” kullanarak işi daha kolay hale getiriyoruz. Nasıl Dünya’dan giden yükleri hızlandırmak zorundaysak, Dünya’ya gelen yükleri de yavaşlatmak durumundayız. İşte spinli gök kancasının farkını göstereceği nokta burası olacaktır. Nasıl ki mekikleri uzaya fırlatırken enerji kaybediyorsa, Dünya’mıza gelen mekikleri de kanca ucu yukarıdayken yakalayarak yavaşlatacak ve bu sayede hem bir iniş mekanizması olarak görev yapacak hem de enerjisini yenileyebilecektir. Yine de bir miktar enerji kayıpları olacaktır ama bunu ufak motorlar ile çözebiliriz. Gök kancasına kurulacak güneş panelleri ile de üstesinde gelinmesi için çalışmalar var.

Gök kancası sisteminin en güzel özelliği belki de diğer gezegenlere, onların uydularına ve hatta göktaşlarına bile kurulabilecek olması. Bu sayede uzay yolculuklarının süreleri ciddi derecede kısalacak, asteroit madenciliğinin önü açılabilecektir. Örneğin, Mars’a bir gök kancası kurulabilir. Ayrıca Mars’ın atmosferinin ince olması ve Dünya’ya göre daha az kütle çekim kuvvetinin olması gök kancalarının daha verimli olmasını sağlayacaktır, Dünya ile Mars arasında yapılacak uzay yolculuklarının süresini yarı yarıya azaltırken faydalı yük miktarını da 10 katına kadar arttırabilecektir. Bitmedi, mineral ve metal zengini bir asteroide gök kancası kurarak Mars’tan asteroit kuşağına uzay trafiği oluşturabiliriz.

Gök kancasının kurulabileceği bir başka yer de Mars’ın uydusu Phobos’dur. 11 katrilyon kg’lık kütlesi ve gezegenine sadece 6000 km mesafede yer almasıyla gök kancası sistemi biçilmiş kaftan olan Phobos, Mars – Phobos – Gök Kancası sistemi kurulması halinde uzak gezegenlere yolculukta bir transfer noktası haline gelebilir. Orta ve uzun vadede, gök kancalarının verimliliklerinin arttırılması, tasarımlarının geliştirilmesi ve sayılarının artması ile gezegenler arası seyahat sıradan hale gelebilir. 1800’lü yıllarda İstanbul’da yaşayan birisine “kahvaltını İstanbul’da yapacak, öğlen yemeğini Paris’te yiyeceksin” diyebilseydik muhtemelen kahkahalarla güler, bizi deli yerine koyardı. Kim bilir, belki 50 yıl sonra biz olmasak da torunlarımız, bir yaş gününü Dünya’da kutlayacak, sonrakini Mars’ta…

Albert Robida’nın 1900’lerde çizdiği gelecek tasviri… Gökyüzünde uçan arabalar hiç olmayacak olsa da belki benzer bir biçimde gelecekte bir uzay trafiğimiz olacak.

 

Yazımızı, yine konumuzla ilgili bir kısım ilginç bilgileri paylaşarak sonlandıralım:

  • Bugüne kadar sadece 24 insan kaçış hızını geçmiştir. Bunların tümü 1969 ile 1972 yılları arasında Apollo projeleri ile Ay’a giden astronotlardır.
  • Phobos, Güneş Sisteminde gezegenine en yakın uydudur. 1877’de keşfedilmiştir.
  • Her ne kadar yapılabilirliği ve uygulaması bazı bilim insanlarına çok gerçekçi gelmese de Japonya’nın 50 yıl içerisinde tamamlanmak hedefinde bir uzay asansörü projesi bulunmaktadır.

Gök kancası ile uzay yolculuklarını sıradanlaştırabiliriz. Peki siz de “ben gittiğim yere evimi de götürmek isterim” diyenlerden misiniz? O zaman Güneş Sistemi’ni top yekûn yerinden oynatmaya bakalım. Serimizin 3. yazısı “Yıldız Motoru” konusunda görüşmek üzere.

Hazırlayan: Uğur Çontu

Kaynaklar ve Referanslar:

Hep Daha Fazla Okumak Gerek

Uzay Çöpleri ile Mücadele

Aysel Bozan

Asansörle Uzaya Çıkmak: Uzay Asansörü

Zafer Emecan

Gökadalardan Kovulan Yıldızlar

Zafer Emecan

Kaçış Hızı ve İnternetin Doğuşu

Zafer Acar

Uzay Maceramızdaki 5 Korkutucu An!

Kozmik Anafor

Kara Delikler Etraflarındaki Her Şeyi Yutar Mı?

Ögetay Kayalı