Elon Musk 2018’de Mars’a kargo kapsülü göndermek istiyor ve bunu uçak yakıtı ile sıvı hidrojen yakan Falcon 9 roketiyle yapacak. Oysa NASA Mars’a 10 kat yük taşıyan ve yolda kendini onaran ölümsüz plazma roketleri ile gidecek. Uzay uçuşlarının geleceğini değiştiren plazma roketlerini yakından tanıyalım.
10 kat yük
Roketiniz Mars’a bir uçuşta ne kadar çok yük ve insan taşıyorsa kızıl gezegene o kadar hızlı yerleşirsiniz. Bu iş bu kadar basit; ancak uzay yolculuklarının geri kalanı o kadar basit değil: Madem plazma roketleri akaryakıt yakan günümüz roketlerinden bu kadar güçlü, neden 50 yıldır plazma roketi kullanmıyoruz?
Zaman farkı
İnsanlık Ay’a indikten 45 yıl sonra gözünü Mars’a dikti ve Elon Musk ile NASA test uçuşları için birlikte çalışmaya karar verdiler. Ancak bir sorun var: Ay yolculuğu 3 gün sürdü. Mars yolculuğu ise yaklaşık bir yıl sürecek ve aradaki tek fark uçuş süresi değil.
Öncelikle bu insanlar en azından yolda ve başlangıçta ne yiyip içecekler? Mars’ta nerede yaşayacaklar? El aletlerine, basit de olsa acil servise, mobilyalara ve araştırma ekipmanına ihtiyaçları olmayacak mı? Kısacası Mars’a gitmek demek Mars’a yük taşımak gerek. Bunun için de güçlü roketlere ihtiyacımız var.
Yukarıdaki resme batın: Ay’a insan gönderen Saturn V roketini görüyorsunuz. Saturn V 111 metre boyundaydı ama büyük kısmı yakıt tankından oluşuyordu. Tepesindeki küçük sivri nokta var ya, işte Satürn V Ay’a ancak o kadar yük taşıyabiliyordu.
Servis ve mürettebat modülüyle birlikte 11 metre yüksekliğinde, yaklaşık 12 ton ağırlığında olabilen ve astronotlarla birlikte sadece 1 ton yük taşıyabilen küçük bir uzay gemisi. Elon Musk’ın SpaceX şirketinin en güçlü roketi olan Falcon 9 Heavy de Mars’a sadece 9 ton yük taşıyabilecek.
Astronotların Mars’ta kamp kurması için bu yeterli değil. İşte çok az yakıtla 10 kat yararlı yük taşıyan plazma roketleri geliştirme ihtiyacı buradan doğdu. Sonuçta Saturn V’in motorları hem Apollo uzay gemisini taşımak hem de Apollo’yu Ay’a götürecek yakıtı taşımak zorundaydı!
Evet, az yakıt dedik; çünkü çok yük taşıyan büyük ve güçlü roketler aynı zamanda çok yakıt taşımak zorunda. Bu yüzden daha büyük, daha ağır ve daha güçlü olmak zorunda. Bunun için de (evet) daha fazla yakıt taşımak zorunda! Günümüzün kimyasal roketlerinin karşılaştığı kısır döngü bu ve bu döngüyü kırmamız gerekiyor.
Nasıl kıracağız?
Doğrusu Dünya’dan uzaya yük fırlatırken kimyasal roketlerin tekelini kıramayız. Elimizde kimyasal roketler dışında saniyede 11 km hıza erişip Dünya’nın yerçekimi alanından çıkacak kadar güçlü bir roket yok.
Tabii nükleer roketler var; ama uzaya atom bombaları patlatarak çıkmak istiyorsanız tekrar düşünün. Her uzay yolculuğunda birkaç yüz bin insan radyoaktif serpinti yüzünden kanser olacak.
Şöyle söyleyelim: Açık havada nükleer silah denemelerinin 60’larda yasaklanmasının sebebi neydi biliyor musunuz? Bebeklerin dişlerinde radyoaktif stronsiyum oranının arttığını gördüler. Bu yüzden Dünya atmosferinde nükleer roket kullanmayı unutalım.
Plazma roketleri sadece uzayda çalışıyor. Bunun nedenini birazdan anlatacağım (1); ama plazma roketleri aynı zamanda çok az yakıt taşıyor. Az yakıt taşıdığı için yararlı yük taşıma kapasitesi artırıyor.
Bu yüzden plazma roketleri deyince aklınıza Star Wars’taki yıldız destroyerlerinin motorları gibi dev iyon roketleri gelmesin. Öyle bir şey yok. Hiçbir iyon motoru 1600 metre boyundaki dev bir yıldız destroyerini itemez. O kadar güçlü değil ve bu noktayı da aklınızda tutun (2).
Mars’a yük taşımanın zorluklarıyla ilgili şunu göz önünde bulunduralım: Saturn V roketi 3 kademeliydi. Yerden yükseldikçe hava inceliyor ve roketi yavaşlatan sürtünme azalıyordu; ama aynı zamanda roket çalıştıkça yakıtı azalıyor ve bu yüzden hafifliyordu!
Saturn V üç kademeliydi ve en güçlü roketlerle en çok yakıt alttaki birinci kademede yer alıyordu. Saturn V önce yakıtı biten birinci kademeyi, sonra da ikinci kademeyi atarak kendini hafifletti ve ancak bu sayede Dünya’dan 5000 km uzağa yaklaşık 12 tonluk Apollo uzay gemisini taşıyabildi.
Sonra roketin takati kesildi. Apollo gemisi servis modülü dışında kullanılmayan her şeyi uzaya atıp kendi küçük roketini ateşleyerek uzaya yöneldi; ama bu sırada Dünya’nın çekiminden kurtulmuştu. Bu yüzden de küçük bir roketle biraz iterek hızlanması mümkündü.
Bu noktayı da akılda tutun: Uzayda hava ve yerçekimi yok. Aynı sebeple bir kez hızlandınız mı fren yapmadan duramazsınız ve teorik olarak neredeyse ışık hızına kadar sürekli hızlanabilirsiniz. Yalnız Apollo’nun küçük roketiyle ışık hızına yaklaşmanız milyonlarca yıl alır. Buna da dikkat etmeliyiz.(3).
Öyleyse bize yeterince yük taşıyan, makul bir sürede hızlanan ve Mars’a maksimum 1 yıl içinde makul bir hızda ulaşan yeni roketler gerek.
Şimdi diyeceksiniz ki rokete ne gerek var? Uzay sondaları gibi yapalım. Jüpiter’e giderken Dünya ve Venüs’ün çevresinde birkaç tur atıp yerçekimi kaynaklı sapan taşı etkisinden yararlanarak uzaya savrulalım ve roket çalıştırmadan hızlanalım. Öyle ya, Yeni Ufuklar sondası 2015’te Plüton’a böyle gitti.
İyi hoş da bu yöntemle Jüpiter’e gitmek 7 yıl ve Plüton’a gitmek 9-10 yıl alıyor. Hatta Plüton’a çabuk gitmek için aracı sapan taşı etkisiyle öyle hızlandırdık ki yörüngeye girmeden Plüton’un yanından geçip gitti. Plazma roketleri işte bu sorunu çözecek.
Gitmek yetmez, durmasını bilmek gerek. Mars yörüngesine girip yük ve insanları Mars’a indirmek lazım. Sadece Apollo kapsülü Ay’a giderken yaklaşık 3800 ton yakıt yaktı. Mars’a daha az yakıtla gidebilirsek ne âlâ!
Diyelim ki Venüs ile Dünya’yı kullanarak astronotları sapan etkisiyle Mars’a yolladık ve dedik ki nasıl olsa yolculuğun geri kalanında hızlı gidecekler, böylece zaman kaybını telafi edeceğiz. Örneğin Plüton’a giden Yeni Ufuklar kadar hızlı gittiğimizi varsayalım: Saatte 83 bin km.
Peki nasıl duracağız? Bunun için tek çaremiz yanımızda çok yakıt taşıyıp uzay aracını yarı yolda ters yöne çevirmek ve roketleri ateşleyerek fren yapmak. Öyle aniden de duramayız, yoksa astronotlar yerçekimi baskısıyla ezilir. Yavaş yavaş hız kesmek ve bunu da Mars’ın yanında geçip gitmeden önce yapmak lazım.
Öyleyse Mars’a çok hızlı gidemeyiz. Hem ek yakıt aracı ağırlaştırarak kısır döngüye yol açar hem de fren yapmak problem olur (4).
NASA 2035’ten sonra Mars’a insan göndermek için yeni SLS roketini geliştiriyor. Bunun ilk versiyonu sadece Ay’a insan taşıyacak kadar güçlü olacak ve asteroit madenciliğinde kullanılacak. Ancak gelecekte kalkış ağırlığı 130 ton olan bir SLS roketi yapacaklar.
Gerçi bu bile Mars’a en fazla 10-15 ton yük taşıyabilir; fakat birkaç roket fırlatarak Mars gemisini yörüngede parça parça birleştirebiliriz. Böylece Mars’a maksimum 30 tonluk bir gemi götürebiliriz ki bu da en az 10 ton yük taşımış olur.
Kısacası 20 yıl sonra Mars’a ancak birkaç vagonluk bir banliyö treni kadar yük gönderebileceğiz. Bu yüzden vagonları iyi seçmek gerek.
Mars’a bırakın insan taşımayı, Curiosity gibi küçük araştırma araçları göndermenin bile ne kadar zor olduğunu gördük. Plazma roketleri geliştirme hikayesi buradan çıktı zaten ve biz de ancak şimdi plazma roketlerinin nasıl çalıştığını, ardından da faydalarını anlatabiliriz.
Mars Ay’dan 300 kat uzak
Test zamanı! Şimdi yukarıda sizin için işaretlediğim 4 maddeyi hatırlayacaksanız: 1) Plazma roketleri sadece uzayda çalışıyor. 2) Plazma roketleri güçlü değil ama az yakıt, çok yük taşıyor. 3) Uzayda hız kaybı yok ve plazma roketleri sürekli hızlanıyor. 4) Mars’a makul sürede gidecek kadar hızlı; ama az yakıtla güvenli fren yapacak kadar hafif ve yavaşlar.
Elon Musk’ın elektrikli otomobili Tesla’yı biliyorsunuz. Plazma roketleri de uzayda çalışan elektrikli roketler. Bunlar yakıt olarak kullanılan nötr gazlara (argon, zenon) elektrik veriyor ve bu gazları 1 milyon dereceye kadar ısıtıyor.
Böylece elektronlar atom çekirdeklerinden kopuyor ve iyonize plazma oluşuyor. Proton ve nötron içeren pozitif yüklü çıplak atom çekirdeklerine iyon diyoruz. Atomlardan kopup yanma odasında savrulan elektronlar da negatif yükü oluşturuyor.
Amaç elektronları elektrik akımıyla atomlardan koparmak ve ardından manyetik alan kullanarak uzay aracının roketinden uzaya fırlatmak. Böylece Newton’ın yerçekimi yasalarındaki etki-tepki özelliğinden yararlanarak uzaya kaçan elektronların momentum transferi ile uzay aracını ters yönde, yani Mars yönünde itmesini sağlamak. Plazma roketlerinin çalışma prensibi bu.
Plazma roketleri bu şekilde çalışarak yakıtı mikroskobik damlalar halinde kullanıyor ve kimyasal roketlere göre yüzde 90 daha az yakıt yakıyor!
Böylelikle Mars gemisi için bir tonluk yakıtı yıllarca bitmeden kullanabilirler; çünkü uzay gemisini süper hafif ve süper hızlı elektronlar itiyor. Buna iyon motoru teknolojisi diyoruz ve plazma roketleri bu sayede yukarıda sıralanan 4 şartı karşılıyor.
Ancak bedeli var
Yüzde 90 yakıt tasarrufu sağlamak için az yakıt yakmak yetmez. Bir de aracın çok yavaş hızlanması lazım. Zaten elektronları damlalıkla kullanıp mikroskobik parçacıklarla uzay aracı itmeye kalkarsanız sadece yavaş yavaş hızlanabilirsiniz.
Nitekim klasik plazma roketleri ile (iyon motorları) Mars’a gitmek birkaç yıl alıyor. Örneğin, elimizdeki en güçlü iyon motoru olan Hall iticisi Dünya atmosferinde yerçekimi ve sürtünme yüzünden sadece ince bir yaprak kağıdı havaya kaldırabilir! Plazma roketleri bu yüzden yalnızca uzayda çalışıyor.
Bununla birlikte iyon motorlarının kağıt üzerinde kaldığını sanmayın. NASA’nın Dawn sondası Vesta asteroidine plazma roketleri ile gitti ve insanlık tarihinde iki ayrı gökcisminde yörüngeye giren ilk araç oldu (Vesta ve Ceres’i ziyaret etti).
Bu iki kere hızlanmak ve iki kere yavaşlamak demek. Öyle ki bunu sadece az yakıt yakan plazma roketleri başarabilirdi. Ancak, Mars’a gitmek için hem uzun süre çalışan hem de çok daha güçlü olan plazma roketlerine ihtiyaç var.
Bu cümle de aslında iki ayaklı bir soru ve önce konumuzun başlığı olan, yani yolda giderken kendi kendini onaran ölümsüz plazma roketleri ile başlayalım.
Bozulur. 10 yılda arabayı birkaç kez bakıma sokmanız gerekir. Açıkçası otomobil üreticileri araba parçalarını bilerek eskitiyor ve asıl parayı araba satarak değil, tamir ederek ve teknik serviste kazanıyorlar.
Ancak uzayda teknik servis yok, çünkü Dünya-Mars arasında uzay üslerimiz yok. Bu sebeple bize 10 yıl çalışsa bile bozulmadan giden ve yolda kendini onaran ölümsüz plazma roketleri lazım.
Dediğim gibi roketin içindeki plazmayı 1 milyon dereceye kadar ısıtarak. Bu kadar sıcak bir yanma reaksiyonunun roketi de yakacağını tahmin edersiniz. Şansımıza plazma roketleri çok az yakıt yakıyor. Bu yüzden yıpranma da çok yavaş ve sadece mikroskobik ölçekte gerçekleşiyor.
Roket nasıl yıpranıyor derseniz aslında elektronlar atomlardan kopunca pozitif atom çekirdekleri (iyonlar) roket duvarına çarpıyor ve oradan azar azar atom koparıyorlar. Plazma roketlerinin yakıtının bitmesi 10 yıl alabilir, ama motorun o kadar süre dayanıp dayanmayacağı ayrı bir konu.
Ne yazık ki bombardımana dayanıklı olması için daha sağlam roketler yapmak yeterli değil. Roket her zaman yıpranacaktır. Elbette tamir olmadan en az 5 yıl çalışan roket bulmuşsun, neyine yetmiyor diyebilirsiniz ama unutmayın:
Uzaya yük taşımak çok pahalı. Uzayda yedek parça servisi yok. Bu yüzden Mars’a giden her şeyin olabildiğince uzun süre çalışması gerek. Yoksa daha çok yakıtla daha çok roket fırlatmamız gerekir ve uzaya yedek parça fırlatmaktan insan fırlatmaya vakit kalmaz.
Tabii NASA 3D printerlar ile birçok şeyi uzayda imal etmeyi düşünüyor. Bu printerlar Mars madenlerini kullanarak birçok şeyi basabilir. Ancak 3D printerlar her şeyi basamıyor ve uzayda yedek parça gerekirse bunu ancak Dünya’dan gelen ham maddeleri kullanarak yapabilirler.
Ayrıca motorların yedek parçası metal ve seramik olmak zorunda. Metal basan 3D printerlar çok elektrik harcıyor, çok ısınıyor, zehirli gazlar çıkarıyor ve uzay gemisine sığacak kadar hafif değil. Üstelik bunlar demir, çelik, titanyum gibi ağır maddeler. İş roket motoruna gelince bunu Dünya’da üretmek daha ucuz.
Nasıl yapacağız? Prensipte plazma roketleri çalışırken atomların duvardan kopardığı atomlar gidip yanma odasının iç çeperinde başka yere yapışıyor. Bu süreç motorun yıpranmasını yavaşlatıyor; ama zamanla motorun içi sünger gibi delik deşik oluyor. Pütürlü yanma odasında motorun verimliliği azalıyor.
Öte yandan California Üniversitesi Los Angeles’tan havacılık ve uzay mühendisi Gary Li, plazma roketlerinin çalışmak için ürettiği elektrik akımını kullanarak motorun kendini onarmasını sağlayacak bir yol buldu.
Normalde yanma odasından kopan atomlar tıpkı havaya fırlatılan topun yere düşmesi gibi iç duvarların üzerinde birikiyor. Ancak, uygun elektrik akımlarıyla bu atomları koptuğu yere geri yerleştirmek ve yanma odasının ömrünü uzatmak mümkün.
Evet, ama sandığınız gibi güçlü bir elektrik akımı kullanmıyoruz. Düşünün, elektrik akımı motorun yakıt yakarak çalışması için lazım. Motoru tamir etmek için ikinci bir elektrik alanı üretemeyiz. Açıkçası bir kasabada iki kovboy olmaz ve aynı motorda iki elektrik akımı çalışmaz. Bunlar iç içe geçip birbirini bozar.
Ancak Gary Li bir hile yaptı. Deneysel amaçlı plazma roketinin iç duvarlarını tırnak törpüsü gibi pütürlü üretti. Bu mikroskobik pütürler iyonların koparttığı atomların tekrar yerine oturması için doğal ve zayıf elektrik akımı üretiyor. Yanma odası çeperlerindeki akıma kapılan atomlar yerine yerleşiyor.
Kısacası motorun iç yüzeyini tırnak törpüsü gibi pütürlü yaparsanız hiçbir ek güç gerektirmeden tamir amaçlı elektrik akımları üretmiş olursunuz. Bunlar motor atomlarının yakıt atomlarıyla etkileşmesiyle kendiliğinden oluşuyor.
Elektrik akımları duvarın iç yüzeyindeki pütürlere göre oluşuyor; çünkü yanma odasının iç çeperi negatif yüklü ve odada yüzen iyonlar da pozitif yüklü. Haliyle birbirlerini çekiyorlar. Duvarın voltajı tek tek iyonlardan güçlü olduğu için bunları kendine çekmeye başarıyor.
Elektrik akımlarıyla manyetik alanları bir madalyonun iki yüzü gibi düşünebilirsiniz. Bu yüzden plazmanın sıcaklığını ve yoğunluğunu değiştirerek “uysal ve uyumlu manyetik alanlar” oluşturabilirsiniz. Böylece iç çeperdeki voltaj kopan atomları kolayca çekerek motoru onarır.
Gary Li sistemi test edince zaten uzun ömürlü olan plazma roketlerinin kendini yüzde 20 oranında onardığını gördü ve teorik olarak bu oranı yüzde 50’ye çıkarmak mümkün. NASA Mars’a ölümsüz plazma roketleri ile gidecek derken kast ettiğimiz bu.
SLS roketinin yörüngeye fırlattığı modülleri uzayda birleştiririz. Arkasına da iyon motoru takarız ve ilk insanlı Mars gemisini inşa etmiş oluruz. Bu da 2035’ten sonra astronotları Mars’a götürür. İnsansız birkaç uzay gemisi de gereken kargoyu taşır.
Elon Musk yazımda belirttiğim gibi Mars’a 1 yılda gitmek yerine 2 ayda gitmek insanlar için daha hayırlı: Küçücük gemide 1 yıl kapalı kalmaktan kaynaklanan psikolojik sorunlar bir yana, radyasyon var. Kozmik ışınlar ve güneş rüzgarından kaynaklanan iyonize (nükleer) radyasyon ve elektromanyetik radyasyon insanları zehirliyor.
Uluslararası Uzay İstasyonu’nda bir yıl kalan Scott Kelly için bu o kadar büyük bir sorun değil. Ne de olsa Dünya’nın manyetik alanı astronotları koruyan bir güç kafesi oluşturuyor. Ancak, Nature dergisinde yayınlanan son bilimsel makalede Dünya’nın manyetik alanının dışına çıkıp Ay’a giden astronotlarda kalp krizine bağlı ölümlerin arttığı ortaya çıktı!1
Bunun sebebi de geleceğin plazma roketlerini çalıştıracak olan elektromanyetik kuvvet: Uzayda kalp damarlarının tıkanmaması ve sertleşmemesi için antioksidan takviyesi gerekiyor. Bunların insan vücudu için ne kadar sağlıklı olduğunu basit diyet yazılarından biliyoruz.
Ancak Ay ve Mars’ta manyetik alan yok ve bu yüzden damarlar okside oluyor, kalp krizi riski artıyor. Ayrıca yerçekimi yokluğunda astronotların kemikleri ve kasları eriyor, göz tansiyonu artıyor. Öyleyse Mars’a çabuk gitmek gerekiyor.
Bilim insanları iyon motorlarının asla büyük gemileri hızlı götürecek kadar güçlü olmadığını anladıklarında melez çözümler geliştirdiler. Nükleer roketler kadar güçlü olan motorları iyon motorları gibi az yakıt yakan uzun ömürlü yeni tasarımlarda birleştirmek istediler.
Tabii radyasyon tehlikesi yüzünden nükleer roket kullanmadılar. Ne de olsa amacımız astronotları radyasyondan korumak ve bunun için uzay gemisine nükleer motor takarak iyi bir fikir değil. Peki ne yapabiliriz?
Değişken Özgül İtkili Elektromanyetizma Roketi (VASIMR) bir melez plazma roketi. Nasıl çalıştığına gelince: Zenon veya argon gibi nötr gazları alıyor ve elektrik akımıyla değil de radyo dalgalarıyla ısıtıyor. Radyo dalgaları plazmayı iyon motorundan çok daha fazla ısıtıyor (1 milyon derece).
Ancak, radyo dalgaları süper yoğun plazmada biraz da ses dalgaları gibi çalıştığı için ve özünde düşük enerjili elektromanyetik dalgalar olduğundan, sadece daha hızlı giden plazma roketleri yapmaya yaramıyor. Aynı zamanda yakıt yakmak için çok az elektrik harcıyor.
Aslında radyo dalgaları plazmayı ısıtınca iyonlar ve serbest elektronlar açığa çıkıyor. Bunlar yukarıda anlattığım iyon motoru gibi çalışan manyetik alanlar üretiyor. Gerisini biliyorsunuz. Garry Li’nin kendini onaran teknolojisini VASIMR’e eklersek durum çözülür gibi görünüyor.
VASIMR bile astronotları Mars’a götürecek kadar güçlü değil. Hatta NASA bu yüzden 20 yıl sonra ilk astronotları kimyasal roketlerle Mars’a gönderecek; ama sonra plazma roketleri yaygınlaşacak. Neyse ki NASA VASIMR sorununu çözmenin bir yolunu buldu.
Plazma roketleri kullanarak önce Mars’a hafif ama çok sayıda kargo gemisi göndereceğiz. Bunlar aylar içinde Mars’a ulaşacak. Ardından acil erzak dışında bir şey taşımayan insanlı uzay gemisini göndereceğiz. Bu sırada VASIMR filoları en az iki yıldır Mars’a gidiyor olacak.
Böylece astronotlar Mars’a inerken gökten erzak yağacak diyebiliriz. VASIMR ile hiç değilse çok sayıda hafif uzay gemisini Mars’a hızlıca gönderebileceğiz. Böylece Mars’a astronot göndermek için lojistik sorunlarımız azalacak.
Elbette en iyisi nükleer motorlar, füzyon meşaleleri ve nihayetinde Expanse bilimkurgu dizisindeki gibi füzyon motorları kullanmak olurdu.
Her durumda uzay uçuşları maliyetlerini düşürmek ve Mars’a yük göndermekle ilgili lojistik sorunlarını çözmek istiyorsak önce yörüngeye roketle yük fırlatma sorununu çözmemiz gerekiyor. İlk çözüm SpaceX’in tekrar kullanılabilen ucuz roketleriyle geldi.
Sırada uzay asansörü kullanarak roket fırlatmaktan tümüyle vazgeçmek var. Böylece uzaya uçak seferleri kadar çok sayıda küçük plazma roketi göndererek gezegenlere yük taşıma sorununu çözeriz.
Hatta Stephen Hawking’in dediği gibi yük roketlerini lazer ışınları ve lazer yelkenleriyle itebilir ve böylece Mars’a iki ayda yük taşıyabiliriz. İnsanlı uzay gemilerini hafifletmek için balonlardan esinlenerek şişme uzay gemisi yapabiliriz.
Ancak, yakın yıldızlara nasıl seyahat edebiliriz derseniz bunun için füzyon ve antimadde motorlarını anlatan Yıldız Gemisi Atılgan Ne Zaman başlıklı 4 bölümlük yazı dizisini okuyabilirsiniz. Ay üslerini anlatacağım gelecek bölümde görüşmek üzere.