Güneş Yelkenlisi Nedir? Şu An Bu Teknoloji Hangi Noktada?

Güneş yelkeni güneşin radyasyon basıncını kullanarak uyduyu hareket ettiren bir itki sistemi. Güneş yelkenlisi de bu sistemi kullanan uzay aracı diyebiliriz. Buraya kadar konuya yabancı kalanlar olabilir diye daha sade bir giriş yapmak istedim bir sonraki paragraftan itibaren. Umarım bu sitedeki ilk yazımı beğenirsiniz.

IKAROS’un JAXA’dan resimle betimlenmesi (kaynak)

Uzay araçları açısından teknoloji, ortama adapte olma gereklilikleri nedeniyle başka araçlarınkine göre en gelişmiş noktada olması gereken alanlardan biridir. Bu nedenle birçok teknolojinin uzay araçları için daha önce düşünülmemiş boyutlarda geliştirilmesi, alan dışındaki teknolojilerin gelişmesi için geri bildirimli bir sistemi oturmuş durumda. Örneğin, küp uyduların yaygınlaşmaya başladığı 2000’lerdeki minimalizm yaklaşımı, uydu içine yerleştirilen kameraları küçültmek için insanoğlunu bu konuyu araştırmaya itmiş ve şimdiki akıllı telefonlardaki boyutlara kadar düşmesine ön ayak olacak gelişmeleri sağlamıştır. Güneş yelkenlileri henüz gerçek yelkenlilere uygulanabilir bir teknolojiye sahip değil ama yakın zamanlarda duyarsak şaşırmayacağız, çünkü umuyorum ki hiç duymamış olanlar dahi bu yazıdan sonra güneş yelkenlisi nedir biliyor olacak.

Bir uzay aracının itki sistemi etki-tepki prensibine dayanır. Araçta bulunan yakıt kimyasal aktiviteyle enerjiye dönüştürülür ve egzozdan boşluğa yönlendirildiğinde araca ters yönde bir kuvvet sağlar. Bunu anlamak için şöyle bir örneği düşünebiliriz: Elinizde su dolu bir tasla koştuğunuzu ve birden sağınıza doğru tastaki suyu yere paralel doğrultuda fırlattığınızı düşünün. Bu durumda vücudunuz koşarken tepki göstererek sizin sola doğru yalpalamanıza neden olacaktır. Eğer fırlattığınız nesne enerjisi daha yoğun bir madde olursa, tepki enerjiniz de ona göre artacaktır. Uzay araçları da işte bu şekilde yörünge doğrultularında hızla ilerlerken kendilerini ittirebilmek için yakıt tanklarında bulunan yakıtları ateşlemek durumundalar…dı. Bu mantıktaki sistemlere itki sistemleri deniyor.

İtki sistemleri son 20 yılda çokça kaynakta ‘yakıtsız’ ve ‘yakıtlı’ olarak kategorilenmeye başlandı [1]. Kimyasal yanma veya plazma ile tepki sistemleri dışında ortaya çıkan yakıtsız itki türleri güneş yelkenlileriyle değerlendirilmeye başlandı. Güneş yelkenlisi aslında 1920’lerden beridir teorisi bulunan ama teknoloji gereksinimleri nedeniyle ertelenen bir tasarımdı [2, 3]. Lisans tezimden doktora sürecimin ortasında olduğum şu ana dek araştırdığım güneş yelkenlilerinin ilk çalışması aslında 2007’de NASA tarafından bir küp uydu içinde kullanılmak üzere yapıldı. GEOSail isimli bu tasarım güneş yelkenlisi prensibini kullanan 3U (3 tane standart 10x10x10 cm’lik küp uydu ünitesi) bir uydu için tasarlandı [4]. Bu tasarım, teknoloji geliştirmek için yapılıyor olduğundan uzaya gönderilmeden projesi bitirildi. Devamıdaki süreci biraz işin fiziğine değindikten sonra anlatmak isterim.

Bir yelkenlide olmasını beklediğiniz genel yapılar güneş yelkenlisinde de mevcuttur: İnce bir şilte ve bağlı olduğu yelken direkleri. Bu direkler de uyduya bağlanıyor ve uydu uzayda hareket ediyor. Peki nasıl? Uzay ortamında uydunun hareketini etkileyebilecek dış etmendenden birisi de radyasyon basıncıdır. Burdaki kasıt uydunun gövdesinin uzayda hareket ederken maruz kaldığı fotonlarla etkileşimidir. Fotonlar uydunun yüzeyine düşer ve çoğunlukla yansırlar. Bu sırada çarptıkları noktadaki atomların enerjilerini değiştirecek ve bölgesel bir enerji aktarımına, dolayısıyla basınca neden olacaklardır. Yaratılan kuvveti kimyasal patlamayla (100’lerce N) karşılaştırınca bu ışık basıncı (birkaç mikro-N, 1 N’un milyonda biri) elbetteki önemsiz görünecektir. Dünya üzerinde etkisini fark edemeyeceğiniz kadar küçük. Nitekim uzaydaki yerçekimsiz ortamdayken bu kuvvet dışındaki herhangi bir çevresel faktör pek bulunmadığından, güneş yelkeni uzun vadede etkili bir itki prensibi olabiliyor.

Uydu Dünya etrafındaki yörüngesinde hareket ederken Güneş’ten, yıldızlardan, Ay ve Dünya’dan yansıyan ışıklara maruz kalır. Bu ışıklarla gelen fotonların en yüksek basınç yaratanı boyutu ve uzaklığı açısından Güneş’tir. Dünya etrafında dönen bir uydu için sabit olduğu varsayılan güneş radyasyon basıncı, uygulandığı alan arttıkça uydu üzerinde yarattığı tepki kuvvetini arttırmaktadır. Bu da zaten temel olarak basınç tanımından gelmektedir.

Uydu tasarımında aslında yapılmak istenen belli olduktan sonra ilk adımlar kolay atılır. Önemsiz derecedeki bu basınçtan önemli bir kuvvet elde etmek için uydunun gövdesiyle karşılaştırıldığında olabildiğince büyük bir yansıtıcı yüzey olsun istemek gerekir. Bu kadar büyük bir yapıyı uzaya göndermek için de uydunun bir yerine mekanizma ile yerleştirmek gerekir. Mekanizma risklidir, çünkü uyduyu yörüngedeyken tamir edemezsiniz (yani, şimdilik, genelde öyle). Yine de ilk tasarımda risk alınabilir, yeter ki maliyet düşük olsun. Bir dakika! Eğer alan artarsa toplam uydu kütlesi, dolayısıyla fırlatma ücreti artacaktır. O zaman risk alıp mekanizmada karar kılınır ve yelken alanıyla uydu ağırlığı arasında optimizasyon yaparak uydu tasarımı geliştirilir. Buraya kadar sevimli anlattığım uydu tasarımı bundan sonra bizi epey yoran ince hesaplara ve altsistemler çatışmasına geçiyor. Oraya gelmeden güneş yelkenlilerine geri dönelim.

2010 yılının Kasım ayında NASA (Amerikan Ulusal Havacılık ve Uzay Dairesi) GEOSail tasarımını uzaya göndermek için yeniden kolları sıvayarak ürettiği NanoSail-D2’yi uzaya fırlatıyor ama roket arızası nedeniye uydu hiçbir zaman uzaya gidemiyor. NASA’nın küçük uydularla geliştirmeye çalışıp başarısız olduğu güneş yelkenlisini daha büyük bir keşif uydusuna uygulayan JAXA (Japon Havacılık ve Uzay Araştırmaları Dairesi), aynı yılın Mayıs ayında IKAROS uydusunu Venüs’e gönderiyor ve 8 Ekim’de Venüs etrafındaki dönüşü sırasında ilk güneş yelkenini açıp kamera görüntülerine ulaşmayı başarıyor. Bu uydu, 310 kilo civarında bir ağırlığa sahip ve 0.8 m yüksekliğinde, 1.6 çapında bir silindir şeklinde [5]. Kenarı 14 metrelik bir kare şekline gelen yüzeyleri uydunun dışına uzatılan 4 yelken borusuyla germeyi başardıkları bu görev [5] Venüs’teki görevini birkaç haftada bitirmesine rağmen yelkenli sayesinde günümüzde bile ek görevlerine devam etmektedir. Günümüzde asteroid kuşağında seçilmiş asteroid gözlemleri ve Jüpiter yörüngesinde ay gözlemleri için kullanılmak üzere yörüngesi yönlendirilmektedir [6].

Lightsail-2 uydusunun yelken açtıktan sonra çektiği fotoğraf (kaynak)

Solar sailing olarak bilinen güneş yelkeni, Amerika’daki havacılık ve uzay mühendisliği bölümlerinin bazılarında kürsüsü kurulmuş geniş bir yelpazeye yayılmıştır. Başta sadece yansıtıcı yüzeyden ve taşıyıcı borulardan ibaret olan güneş yelkenlerinin şimdi malzemeleri özenle inceltiliyor, üzerine ölçüm aletleri yerleştiriliyor ve borularına başka fonskiyonlar ekleniyor. Örneğin boruların başından sonuna dek hareket edebilen ağırlıklarla uydunun yönelimini belirlemek üzerine çalışmalar mevcut. Bunların dışında yakıtsız itki takıntısından biraz uzaklaşıp ara yöntemler deneyerek itki kuvvetini arttırmaya yönelik çalışmalar da mevcut. Birkaç örnekle: Uydunun etrafında açılan parabol aynalarla yansıyan ışın sayısını, dolayısıyla radyasyon basıncını arttıran veya yelken üzerindeki güneş panelleriyle uydunun elektriksel gücünü arttırmayı hedefleyen Güneş güç yelkenlileri (Solar Power Sails); uydunun içinde bir plazma kaynağı ve güçlü bir elektromagnetle uydu çevresinde yapay manyetosfer [bkz. manyetosfer nedir? – wikipedia ve [7] ] yaratarak yelken yapmaya yarayan manyetoplazma yelkenlileri (Magneto Plasma Sails); yere yakın yörüngede (Low Earth Orbit, LEO diye geçer) yelken açarak havanın sürtünme etkisini arttırarak uyduların çöp olmadan hızlı bir şekilde atmosferde yanmalarını hedefleyen Güneş sürükleme yelkenlileri (Solar Drag Sails) gibi birçok değişik yelkenli tasarımları bu kürsü altında, uzay mühendisliği ve fizik bölümlerinde dünya çapında geliştirilmektedir.

OKEANOS’un JAXA’dan resimle betimlenmesi (kaynak)

IKAROS uydusundan beridir mümkün olduğunu bildiğimiz güneş yelkenlisinin en yeni küçük ve büyük boyutlu örneklerini de tanıtmak isterim: Büyük boyutlu olanı OKEANOS, yine JAXA tarafından gerçekleştirilen şimdiye kadarki en büyük güneş yelkenlisi olacak gibi duruyor. 2027’den 2039’a kadar çalışması öngörülen bu uydunun görev hedefleri Jüpiter’in yakınlarındaki Trojan asteroidleri ve Satürn’ün buzul gayzerleriyle ilgi çeken ayı Enceladus olacak [8]. JAXA, bu uydunun yelkenli parçalarının üretimini anlaştığı özel sektör firmalarına yaptırarak ilerideki yelkenliler için şimdiden tedarikçi oluşturma girişimlerinde. Bu teknolojinin ileride ne kadar çok kullanılacağının bir göstergesi gibi bu gelişme. Küçük uydulardaki uygulamasının ilk başarılı örneği de Amerikalı özel bir şirket olan Planetary Society’nin LigtSail-1’dir. Bu uydu, NASA’nın Nanosail-D tasarımının kopyalanıp geliştirildiği ve parasının kampanyayla toplandığı başarılı bir projenin sonucu olarak 2015’te yere yakın yörüngede yelken açmış ve üzerindeki kameralarla bu anı yakalamayı başarabilmiştir. [9] Bu başarı ardından gelen LightSail-2 uydusu da 2019’da benzer bir yörüngede benzer bir uyduyla geliştirilmiş teknolojilerin testlerini günümüzde de başarıyla yerine getirmektedir [10].

Benim uzay mühendisliği lisans tez konusu olarak tasarladığım ve uzay havası gözlemleri yapmayı planlayan 4U’luk uydu tasarımım PolarBeeSail, benim şu ana dek gördüğüm Türkiye’deki ilk güneş yelkenlisi çalışması. Burdan daha öncesini duyan varsa yorumlardan bana ulaşın, aydınlanalım. Bitirme tez hocam Prof. Dr. Zerefşan Kaymaz’ın önderliğinde, İTÜ Uçak ve Uzay Bilimleri Fakültesi Yukarı Atmosfer ve Uzay Havası Laboratuvarı çatısı altında 3 kişi geliştirdiğimiz uydu tasarımı, TÜBİTAK 1001 projesi olarak 2014-2015 yılları arasında desteklendi. Projeyle ilgili 2014 yılında düzenlenen Ulusal Havacılık ve Uzay Konferansı’nda 1 [11], 2015’te International Conference on Recent Advances in Space Technologies’de (Uzay Teknolojilerinde Güncel Gelişmeler Uluslararası Konferansı, RAST olarak bilinir) 2 ve Ankara International Aerospace Conference’da (Ankara Uluslararası Havacılık ve Uzay Konferansı) 1 [12] bildiri sunumu ile proje sonuçları aktarılmıştır [13, 14]. Bu yazıda yaptığım çevirilerin büyük bir kısmını kendim yaptım ve Türkçe literatürte görmediğiniz bir kullanım varsa fikirlerinizi paylaşmaktan çekinmeyin lütfen. Bilim, eleştiriye açık olmayı gerektirir.

Güneş yelkenlileriyle ilgili en yeni duyduğum tartışma konusundan bahsederek bu uzun yazıya son vermeyi planlıyorum. Güneş yelkenlisine sahip bir uydunun fotonlar tarafından itildiğine değil de, çarpan fotonların uydu malzemesi üzerindeki etkileşimi nedeniyle uydunun kendini çektiğiyle ilgili bir yaklaşım şu sıralar gündemde. Yani tartışılan sav: bu sisteme yakıtsız itki demek yerine tepki sistemi demeliyiz. İtki sistemlerinde yakıt uzay aracının içinde olduğu için, momentumunu dışarı verdiğinde uyduyu öteki tarafa savurmuş oluyor ama güneş yelkeninde yakıt dışardan uyduya gelip geri yansıyor. Uyduda soğurulan enerji yansımayacağına göre yakıtın itki kaynağı olamayacağını, yalnızca bu etkileşim nedeniyle tepki gösteren uydu olduğundan bu tasarıma bundan böyle tepki sistemi demeyi düşünüyorlar. Bu yaklaşım biraz fazla felsefik gelmişti en başta ama belki politik ve ekonomik açılardan önemli bir adım olabilir diye düşünüyorum şimdilerde. Uydu teknolojisinde de yakıt tedarikçilerini kızdırmamak önemli olsa gerek; bu nedenle “yakıtsız da itki sistemi kullanmak mümkün” demek belki bu teknolojinin gelişimini tökezletecek bir söylemdi. Bunun önüne geçmek için mi bu savı ortaya attılar diye düşünüyorum. Siz ne dersiniz? Bunlar da mı Amerika’nın bir oyunu? 🙂

İlginiz için teşekkürler.

Yiğit Çay

Kaynakça