NASA Mars’a 6 ay yerine 4 ayda gitmek istiyor ve bunun için nükleer roket geliştirecek; çünkü astronotları kozmik radyasyondan korumak için kızıl gezegene çabuk ulaşmak gerekiyor. Uzun menzilli nükleer roketler hem daha hızlı gidiyor hem de daha fazla yük taşıyor. Peki nasıl çalışıyor?
Kimyasal roketten 2 kat verimli
NASA 65 yıldır nükleer roket geliştirmek istiyor; ama bugüne kadar tasarlanan roketler halkın gözünü korkuttu. 60 yıl önce Soğuk Savaş vardı ve Amerika ile Sovyetler Birliği art arda nükleer denemeler yapıyordu. Bu da çevreyi kirletiyor ve kamuoyunda radyasyon endişesi yaratıyordu (Soğuk Savaş diyoruz ama 1945-98 arasında 2000’den fazla nükleer silah patlatıldı!).
Ayrıca büyük şirketler Ay yolculuğundan sonra parayı Ortadoğu’da petrol ve doğal gaz mücadelesine gömmeye karar verdiler. Bu da hem Amerika’nın Mars’a insan göndermekten vazgeçmesine hem de hükümetin NASA bütçesini kısmasına neden oldu.
Üstelik eski nükleer roket tasarımları nükleer silahlarda kullanılan plütonyuma dönüştürülebilen zenginleştirmiş uranyum yakıtı içeriyordu. Amerika ise nükleer silahların başka ülkelerin eline geçmesini istemediği için plütonyum üretimini çok sıkı kontrol ediyordu ve nükleer motor için ek uranyum zenginleştirmeye niyeti yoktu.
Kısacası nükleer roketler ekonomik ve politik nedenlerle rafa kalktı. Oysa nükleer roketler sıvı hidrojen, gaz yağı (kerosen) ve metan yakan günümüz kimyasal roketlerinden 2 kat verimli ve çok daha güçlü. Verimli derken elimizdeki roketler sadece yörüngeye uydu fırlatmak için tasarlanmış durumda. Ancak, Mars’a düzenli olarak insan taşıyacak kadar güçlü değiller.
Bugünkü roketlerle Mars’a ancak 4 tonluk insansız uzay araçları gönderebiliriz (Curiosity robot keşif jipi gibi). Mars’a insan göndermek ise ayrı mesele; çünkü insanların bir yaşam alanına (habitat), yiyecek ve içeceğe, hatta tıbbi malzemelere ihtiyacı olacak. Kısacası Mars gemisi ağır olacak.
Buna ek olarak kimyasal roketlerle Mars’tan uzağa gitmek olanaksız. Diyeceksiniz ki Jüpiter’e Galileo ve Satürn’e Cassini uydularını gönderdik. Evet, ama bunlar roketlerini ateşleyerek gitmediler.
Bunun yerine, Dünya ve Mars etrafında en az 3 yıl süren iki tur atıp hız kazanarak yerçekimi sapan etkisiyle gaz devlerine ulaştılar. Aksi takdirde bir stadyum dolusu yakıtla bile uzak gezegenlere gidemezlerdi.
NASA işte bu yüzden nükleer roket tasarımlarını tekrar denemek istiyor. Böylece Mars ve Plüton’un ötesine yüzlerce küçük sondadan oluşan dev araştırma bulutları gönderebilecek. Tabii Mars’ta üs kurmak da kolaylaşacak.
NASA’nın ilk düşündüğü sistem nükleer Mars gemisi Orion’dı. Kapak resminde gördüğünüz Orion, arka tarafından uzaya atom bombası atıp patlatarak hız kazanacaktı. Doğrusu ben de gerçek motor yerine atom bombasıyla çalışan bir uzay gemisinden daha çılgınca bir proje düşünemiyorum.
Nitekim Amerikan hükümeti de bunu çılgınca buldu ve sırf Mars’a gitmek üzere fazladan yüzlerce atom bombası üretmenin Sovyetleri korkutarak nükleer savaşa yol açabileceğinden çekindi.
Ayrıca roketi yörüngeye fırlatırken bir kaza olsa bütün dünya plütonyum ve uranyum tozuyla zehirlenirdi. Neyse ki NASA artık daha güvenilir nükleer roket tasarımları üzerinde çalışıyor.
Nükleer roketler içinde en güvenli tasarımlardan biri termal roketler (NTP). Bu sistemde roketin içinde tıpkı klasik enerji santrallerinde olduğu gibi zenginleştirilmiş uranyum kullanan bir nükleer reaktör bulunuyor. Bu reaktör roketin itici yakıtı (propellant) olan sıvı hidrojeni ısıtıyor.
2700 dereceye kadar ısınan hidrojen, sıcak gaz halinde roketin kıç tarafında bulunan çan şekilli roket motorlarından dışarı püskürüyor. Bu da uzay gemisini hızlandırıyor. Sonuçta sıvı hidrojeni eskiden olduğu gibi oksijenle yakmaya kalksak roketimiz 2 buçuk dakika içinde yakıtını tüketip sönerdi.
Nükleer motor ise hidrojen gazını aşırı ısıtıyor. Böylece çok az hidrojen yakarak çok yüksek basınçlı ve uzun süreli bir gaz akışı elde ediyoruz. Bu da hidrojen bitene kadar uzay aracının SpaceX roketlerinden daha yüksek hızlara ulaşmasını sağlıyor.
İki kata kadar: Örneğin, klasik bir Mars gemisi kimyasal roketleri birkaç dakika boyunca ateşleyerek Mars’a saatte 100 bin km hızla gidebilir. Yavaşlamak için de ters dönüp ana motorlarını bu kez ters yönde ateşleyerek fren yapması gerekir.
Gerçi günümüzdeki roketlerin yerçekimi sapan etkisi olmadan bu hıza ulaşması mümkün değil; ama Elon Musk, Mars’a her seferinde 100 kişi gönderecek metan yakan bir uzay gemisiyle bu hıza ulaşmak istiyor. Böylece Mars’a 2 ayda gidecek.
Oysa nükleer roketler hem yüksek hızlarda hem de düşük hızlarda enerji ve maliyet açısından kimyasal roketlerden iki kat verimli. Bu nedenle gelecekte Jüpiter’e giderken saatte 200 bin km hıza çıkabilirler (Bu durumda Güneş Sistemi’nin en büyük gezegenine 5,5 ayda ulaşırlar).
Ancak, insanlı uzay yolculuklarında yararlı yük kapasitesini artırmak hızlı gitmekten daha önemli. Nitekim nükleer roketler saatte 20 bin km hızla Mars’a 4 ayda giderken daha ağır yükler taşıyacaklar ve buna rağmen güvenli şekilde fren yapıp Mars yörüngesine girebilecekler. Öyleyse nükleer motorları yakından görelim:
Kamuoyunda nükleer motor konusunda büyük bir yanlış anlama var. Nükleer reaktörün kendisinin gaz çıkararak roketi ittiğini sanıyorlar. Oysa nükleer motor, nükleer roketi itmek için kullanılacak olan reaksiyon kütlesini (bu durumda sıvı hidrojeni) buharlaştırarak çalışıyor.
Hani eskiden buharlı trenler vardı: Kömür yakarak suyu kaynatıyor ve basınçlı buharla pistonları çevirip lokomotifin ileri gitmesini sağlıyordu. Nükleer roketler de uranyum yakarak hidrojeni plazma haline getiriyor ve sonra basınçlı gazı roketin kıçından uzaya püskürterek gemiyi hızlandırıyor.
NASA bu tasarımın ilk örneği olarak 1950’lerde NERVA sistemini geliştirdi (Roket Araçları Uygulaması İçin Nükleer Enerji kelimelerinin İngilizce kısaltması). NASA Mars için gelecek kuşak NTP roketleri geliştirmek üzere BWXT nükleer enerji şirketiyle sözleşme imzaladı.1
Üç yıl test edilecek
BWXT 18,8 milyon dolar karşılığında yeni nükleer roketler geliştirecek ve bunları 3 yıl boyunca test ederek NASA’ya sunacak. Hatta ilk tasarım önümüzdeki hafta onaya sunulacak ve 1970’lerde çöpe atılan nükleer roket projesi BWXT şirketiyle canlanırsa 6 aylık insanlı Mars yolculuğunu 4 aya çekebileceğiz.
NASA’nın toplam maliyeti milyarlarca doları bulan SLS kimyasal roketi henüz tasarım aşamasında. Ancak, tamamlandığında Mars’a doğrudan 100 ton yük taşıyabilecek. Yalnız yük derken bunu yararlı yükten ayıralım. 100 tona Mars yaşam modülü, Mars iniş modülü ve astronotların kullanacağı uzay jipi de dahil. Kısacası 100 ton kapasitesinin ancak 40 tonu erzak, 3D printer vb. için kullanılabilir.
SpaceX tarafından geliştirilen Falcon Heavy ise özel sektörün en güçlü roketi olarak 2025’ten sonra Mars’a toplam 16,8 ton yük taşıyabilecek.
Ancak, Mars için geliştirilen Dragon 2 insanlı iniş kapsülünün boş ağırlığının 800 kg olduğunu unutmayalım. Bu sebeple Falcon Heavy’nin Mars’a doğrudan insan taşıması pek mümkün görünmüyor. Bunun için yeterli yararlı yük kapasitesi yok.
NASA bu yüzden SLS ile Ay’a toplam 130 tonluk parçalar fırlatıp insanlı Mars gemisini Ay yörüngesinde parça parça inşa etmeyi planlıyor. Oysa bu inşaat 5-10 yıl sürecek ve maliyetleri artıracak.
Açıkçası SLS’in lojistik maliyet açısından Mars’a tek bir insanlı sefer yapmaya bile uygun olduğunu sanmıyorum.
Bunun için Uluslararası Uzay İstasyonu (ISS) tecrübemize bakalım: SLS Blok 2, 420 tonluk bu istasyonu 2021 yılından itibaren üç parça halinde uzaya fırlatabilir. Ancak, Rusya dahil birçok ülkenin yardımıyla ISS inşaatı 10 yıl sürdü ve 100 milyar dolara mal oldu!
Her ne kadar Amerika’nın Mars gemisini tek başına 5 yılda inşa edeceğini öne sürsek de Ay yörüngesindeki inşaatta her şey dahil 50 milyar doların altına düşebileceğimizi sanmıyorum. Bizim ise Mars yolculuğunu 10-30 milyar dolara kilitlememiz gerekiyor.
Nükleer roket avantajı
Nükleer roketler ise Mars’a doğrudan 60 ton yararlı yük taşıyabilir. Üstelik bunu doğrudan SLS uçuşlarından daha ucuza yapabilir. Ayrıca nükleer roketleri SLS’in tersine her yıl fırlatarak lojistik maliyetlerini daha da azaltabiliriz. Bir de uzay gemisini kısmen Bigelow şişme uzay modülleriyle inşa edersek Mars’a yolculuk süper ucuza gelir.
Mars’a giden astronotları kozmik radyasyondan korumak istiyoruz. Bunun için de Mars’a 6 ay yerine 2 ayda ulaşmalarını istiyoruz; ama bu amaçla nükleer roket kullanalım derken, roketin fırlatma sırasında patlayıp atmosferi radyoaktif uranyumla zehirlemesini istemeyiz.
Bu riski hesaba katan NASA zenginleştirilmiş nükleer yakıttan vazgeçerek daha düşük enerjili bir yakıt kullanmaya karar verdi. Mars’a 2 ay yerine 4 ayda gitmek zaman kaybı; ama güvenli yeni nükleer yakıt Trump’ın nükleer roketlere izin vermesini kolaylaştırabilir.
NASA güvenli nükleer roket için düşük düzeyde zenginleştirilmiş uranyum (LEU) kullanmayı planlıyor. LEU’nun iki büyük avantajı var: Birincisi daha az miktarda uranyum 235 izotopu içeriyor ve radyoaktivitesi düşük olduğu için çevre kirliliği riskini de azaltıyor.
İkincisi LEU’yu arıtıp nükleer silahlarda kullanılan plütonyuma dönüştürmek imkansız. Bu da Rusya’yı rahatlatır ve Rus yetkililer, “Amerika Mars’a gidelim derken yeni nükleer silahlar üretiyor” diye endişeye kapılmaz.
Siz hiç metal yakıt duydunuz mu? Tamam, önümüzdeki 40 yılda kullanıma girebilecek olan mucizevi metalik hidrojen var. Ancak, nükleer santrallerde 60 yıldır kullanılan uranyum ve bir uranyum türevi olan LEU da metal yakıt sınıfına giriyor.
BWXT tarafından geliştirilen yeni nükleer termal roketlerde kullanılması planlanan LEU, önce korunaklı bir dökümhanede eritilecek ve ardından tungsten metaliyle karıştırılacak. Böylece ortaya sermet denilen yeni bir seramik-metal nükleer yakıt çıkacak.
Mars’a gidecek nükleer roket fırlatılırken havada patlarsa uranyumun radyoaktif bir toz bulutu halinde atmosfere karışıp zehirli nükleer serpintiye yol açmasını önlemek gerekiyor. Bunun en pratik yolu uranyumu eritip tungstene yedirmek.
Böylece roket patlarsa yere sadece metal çubuklar düşer ve yetkililer bunları bulup toplayana kadar kimse zehirlenmez.
NASA önümüzdeki hafta sermet adlı yeni nükleer reaktör yakıtına onay verecek ve BWXT onayı aldıktan 1 yıl sonra sermet üretimine başlayacak (Sermet, seramik ve metal kelimelerinden türetilen bir bileşik terim).
NASA Çığır Açıcı Yenilikler Programı kapsamında nükleer roket geliştirmek için Marshall tesislerini görevlendirdi. Marshall nükleer termal roket projesinden sorumlu Sonny Mitchell konuyu şöyle açıklıyor:
“Güneş Sistemi’nde daha uzaklara gittikçe insanları Mars yüzeyine ve ötesine ulaştırmaya yarayacak tek kullanışlı teknolojinin nükleer itiş olduğunu görüyoruz. Uzayın derinliklerinin insanlarla keşfedilmesini sağlayacak teknolojiler üzerinde çalışmaktan büyük heyecan duyuyoruz.” NASA’ya bu macerada Virginia merkezli BWXT yardım edecek.
Umarım nükleer roketleri geliştirecek parası ve politik iradesi de olur. Nitekim Amerikalılar 1959-72 arasında 23 nükleer roket testi yaptı, daha doğrusu roketlere takılacak roket motorlarını test etti. Bunları da birçok nükleer bombanın patlatıldığı Nevada eyaletindeki Jackass Flats arazisinde çalıştırdı.
Yukarıda sözünü ettiğimiz NERVA projesi kapsamındaki NRX/XE nükleer termal motorlar da bu sırada üretildi.
Ancak açık söylemek gerekirse hem nükleer savaş korkusu yüzünden, hem de petrol şirketlerinin nükleer enerjinin petrolün yerini almasını istememesi yüzünden (ve tabii ki nükleer araba yapmanın güçlükleri gibi ölçekleme sorunları nedeniyle) nükleer roket projesi sonlandırıldı.
Sovyetler Birliği 1960’larda N1 roketinin üst kademesine nükleer motor takmak için testler yürüttü (neden sadece üst kademe derseniz aşağıda anlatıyorum). Oysa politikacılar nükleer silahlar ve plütonyum üretiminde kullanılan nükleer enerji santralleri hariç, hemen tüm nükleer teknolojilerden uzak durdular.
Ne de olsa nükleer silahlar dünyayı rehin almaya yarıyordu. Örneğin, iki büyük güç birbiriyle Soğuk Savaş yürütüyor ve bunu kullanarak gelişmekte olan ülkeleri NATO veya Demir Perde ittifakına ekliyordu.
Diplomatlar diyordu ki “Siz nükleer silah yapmayın, biz sizi nükleer füzelerimizle koruruz. Yoksa Sovyetler/Emperyalistler sizi ham yapar.” Evet, 40 yıl önce Mars’a gideceğimize bunlarla uğraşıyorduk. Neyse ki NASA nükleer roketi tekrar gündeme taşıdı ve nihayet 2014 yılında hibrit roketler üzerinde çalışmaya başladı:
Hibrit arabalar var da hibrit roket neden olmasın? Bunlar alt kademesi hidrojen yakan kimyasal roket motorlarından ve üst kademesi de nükleer motordan oluşan melez roketler. Teknik adıyla bimodal uzay araçları aslında çok basit bir yöntemle çalışıyor:
Roketi fırlattığınız zaman sadece kimyasal roket motorları ateşleniyor. Böylece radyoaktif gazlarla havayı zehirlemiyorsunuz. Ancak, roketimiz yerden 5-10 bin km uzaklaşınca alt kademe ayrılıyor, roket hafifliyor ve üst kademedeki nükleer motor devreye giriyor. Böylece Mars’a hızla yol alıyorsunuz.
NASA ta 2009 yılında Mars’a fırlatılacak roketin üst kademesine nükleer motor takmayı planlıyordu. Bu da SLS’in Mars’a gidecek en güçlü versiyonunun çok daha güçlü olmasını sağlayacaktı; ama hükümet bu planı güvenlik gerekçesiyle onaylamadı.
Şimdi NASA nükleer SLS için ikinci şansını deniyor; çünkü SLS nükleer motorlu hibrit roket olursa size sözünü ettiğim sürdürülebilirlik sorunu çözülecek.
Mars Dünya gibi Güneş’in çevresinde dönüyor ve yeri geliyor, bizden 400 milyon km uzaklaşıyor. Nitekim Mars’a nükleer roketlerle 4 ayda gideriz derken, aslında 50-60 milyon km ile Dünya’ya en yakın olduğu ayları kast ediyoruz ki bu fırsat pencereleri iki yılda bir açılıyor.
Oysa Jüpiter Güneş’ten ortalama 800 milyon, Satürn 1,44 milyar ve cüce gezegen Plüton’un yer aldığı en yakın Kuiper Kuşağı cisimleri de 4,35 milyar km ötede yer alıyor. İşte bu kadar uzağa nükleer termal roketlerle ulaşamayız; çünkü bunların pratik menzili Satürn’le sınırlı (1,5 milyar km).
Ancak, Mars’a 2 ayda giden ölümsüz plazma roketleri yazısında anlattığım gibi elimizde iyon motorları var. Hatta Dawn uzay aracı Vesta asteroiti ve cüce gezegen Ceres’i iyon motoruyla keşfetti. Hele bu motorlar yolda kendini 3D printerla onarıp çevreden gaz toplayarak yakıtını yenilerse uzak Plüton’a gitmek gibi zor yoluculuklar bile rutin olabilir.
İyon motorları çok yavaş hızlanıyor ama 10 yıl durmadan çalışıyor. 10 yıl sürekli hızlanan bir uydunun sonunda ne kadar hızlı gideceğini düşünün! Buna karşın kimyasal iyon motorlarının da Satürn’ün ötesine geçmesi imkansız ve bunu görmek için bu tür plazma motorlarının nasıl çalıştığına kısaca değinebiliriz:
İyon motorlarında argon ve ksenon gibi gazlara elektrik vererek bunları plazma halinde uzay aracının arkasından püskürtüyorsunuz. Ancak, elektrik sistemi için gereken enerjiyi nükleer motorla sağlarsanız iyon motoru daha hızlı gidecek ve daha uzun süre çalışacaktır.
Bu teknolojiye nükleer elektrik motoru veya nükleer iyon motoru diyoruz ve BWXT şirketi NASA’yla imzaladığı kontrat 30 Eylül 2019’da sona erene kadar bu seçeneği de araştıracak.
NASA’nın asıl sorunu para: Astronotları Mars’a taşıyacak SLS roketi hazır. Dünya’ya dönünce yere inmelerini sağlayacak olan Orion kapsülü ve servis modülü de hazır. Ancak, Mars’a konacak bir iniş modülleri yok; çünkü bunu tasarlamaya ve üretmeye parası yok.
NASA’nın para sorunun çözmeden Mars’a insan göndermesi imkansız. Oysa biraz parası olsa yeni teknolojileri araştırabilir ve en azından robotları Mars’a lazer yelkeniyle 3 ayda göndererek kızıl gezegenin keşfini hızlandırabilir.
Dünyada bugüne dek lazer itiş teknolojisine yatırım yapılmaması ayrı bir skandal zaten. Uyduları sıvı hidrojen ve petrol türevi kerosen yakan roketler yerine lazer ışınlarıyla iterek uzaya göndermek çok daha kolay olurdu. Yine de komşu yıldızlara sonda gönderecek olan Starshot projesiyle lazer itişinin 10 yılda gerçek olmasını umuyoruz.
Her halükarda yakın gelecekte başka gezegenlere ulaşmanın en ekonomik yolu nükleer roketler: Marslı filminde gördüğümüz yapay yerçekimi halkalı büyük uzay gemisi de ancak nükleer roketlerle mümkün olacak.
Gerçi atomu parçalayan nükleer reaktör yerine, atomları kaynaştıran nükleer füzyon reaktörü kullanırsak; yani füzyon destekli iyon roketi üretirsek yaklaşık 5 milyar km ötedeki Plüton’a bile sadece 3 ayda ulaşabiliriz. Gerçek bir füzyon roketi ise 20 ila 100 yılda bizi komşu yıldızlara taşır. Öyleyse son sınır uzay bizi bekliyor!