Uzayın insanlı keşfi, günümüzde kullandıklarımızdan çok daha gelişmiş roketler
yapmamıza bağlıdır. Kimyasal roketler ile Mars yolculuğu 6 ay sürerken, VASIMR
ve MPD plazma roketleriyle 39 gün sürebilecek olması heyecan veriyor. Bu
süreyi dahada kısaltmak istersek o zaman füzyon enerjisi anahtar olacaktır.
Füzyon reaksiyonları yüksek miktarda elektrik üretebilirken, özellikle
anötronik yakıt kullanan bir füzyon roketiyle Mars yolculuğu bir aya
düşürülebilir.
Gemimiz radyasyona karşı güçlendirilmediyse, santrifüj ile yer çekimi üretecek
yapıda değilse, ya da yer çekimsiz ortamın ve radyasyonun etkisini azaltan
“sihirli” ilaçlarımız yoksa, uzayda ne kadar az zaman geçirirsek bizim için o
kadar sağlıklı olur. Uzayın sağlık üzerindeki etkisi ve ulaşım süreleri göz
önüne alındığında, nükleer enerjinin sahip olduğu muazzam enerji yoğunluğu; er
ya da geç Güneş Sistemi içerisindeki yolculuklarda plazma roketleriyle başa
baş giden bir zorunluluk olacak ve Güneş’ten uzak gezegenler ile uydularında
enerji üretiminin vazgeçilmezi olacaktır.
Şu an tasarım halindeki gezegenler arası uzay
araçlarından biri.
Önceki yazılarımızda bahsettiğimiz VASIMR ve Manyetoplazmadinamik roketlerinin
çok ciddi enerji ihtiyaçları vardır. Uygun boyutta Güneş panelleri, Mars
yörüngesi içerisinde yeterli olsa da, Güneş’ten uzaklaşıldıkça verimlilikleri
çok düşecektir. Bir de araca katacakları ek kütle de ayrı bir soru işaretidir.
Eğer aynı enerjiyi ve fazlasını nükleer bir reaktör daha düşük kütleyle
sağlayabiliyorsa, reaktör tercih edilebilir. Fisyon reaktörleri oldukça
verimli, küçük ve hafif olabilir ama, füzyon reaksiyonlarında kullanılan
hidrojen gibi uzayda hali hazırda bolca bulunabilecek bir yakıtı yoktur. Atık
yakıtla uğraşmak ve yaydığı ağır radyasyon da ayrı sorunlar oluşturabilir.
Yine de bunlara rağmen, hem elektrik üretimi hem de itki sağlamakta, hatta
füzyon reaktörlerini çalıştırmakta kullanılabilirler. Füzyon, materyal
teknolojileri geliştikçe yeteri kadar küçültüldüğünde ve hafifleştirildiğinde
yakıtı her yerde bolca bulunan çok verimli bir enerji kaynağı olarak Güneş
Sistemi’nin her yerinde kullanılabilir.
Kendi kendini besleyen füzyon sürdürülemezse bile, füzyon reaksiyonları yine
de VASIMR ve benzeri roketlere enerji sağlayacak şekilde kısa süreli
reaksiyonların üretiminde faydalı olacaktır.
Elektrik üretmenin yanısıra, direkt itki üreten füzyon roketleri de plazma
roketlerine güçlü bir alternatif olabilirler. Sürdürülebilir füzyon
reaksiyonlar ile bir yakıtı ısıtarak püskürtmek, ya da füzyon sonucu üretilen
yüksek enerjili ürünü itki amacıyla kullanmak, veya gemimizin arkasında yakıt
hücreleri ateşlemek, hatta termonükleer bombalar patlatmak gibi başlıca
kullanılabilir yöntemleri vardır.
Nükleer reaksiyonlar ile çalışan bir başka uzay aracı
konsepti.
Füzyon enerjisinden bir reaktör ile faydalanacak araçların anötronik
reaksiyonlar tercih etmesi gerekir. D-D (Döteryum-Döteryum) ve D-T
(Döteryum-Trityum) reaksyionlarında füzyon enerjisinin sadece %20-30’u
kullanılabilirken, anötronik reaksiyonlarda nötron üretimi neredeyse sıfır
olacağından bütün füzyon enerjisi kullanılabilir. (Nötron üretiminin neden
sorun olduğunu şu makalemizde açıklamıştık.)
Uzay yolculuğu için en pratik reaksiyon olan D-He3, p-11B’den çok daha az
enerji girdisi ister, bu nedenle yakın gelecekte uygulanması kolaydır.
Termonükleer füzyon makalemizde belirttiğimiz gibi, Helyum-3 (He3) Ay
yüzeyinde Güneş rüzgarlarının etkisiyle bolca birikmiştir. Gaz devleri de
Helyum-3 açısından zengindir. Ayrıca asteroidlerde, kuyruklu yıldızlarda, gaz
devlerinin halkalarında ve uydularında bolca bulunan buzdan döteryum elde
edip, bu döteryumu nötron bombardımanına tutarak Trityum üretimi yapılabilir.
Termonükleer füzyon makalemizde açıkladığımız gibi, trityum bozunduğunda
Helyum-3’e dönüşecektir.
Discovery-II
Füzyonu sürdürebilmek için plazmanın hapislenmesi gerekir. Üzerinde en çok
araştırma yapılan manyetik hapisleme yöntemleri ağır tokamak reaktörlerinin
kullanımını gerektirir ve bunlar şu anki halleriyle uzay için elverişli
değillerdir. Ama NASA Glenn araştırma merkezi 2001 yılında görece hafif
küresel bir tokamak reaktörü kullanan Discovery II isimli bir tasarım
hazırladı, inceleyelim.
Proje aşamasındaki Discovery II gezegenler arası insanlı
uzay aracı.
172 tonluk yükü, Jüpiter’e en az 118 günde teslim edebilecek 1.690 tonluk bir
gemidir Discovery II. Peki şu anda Jüpiter yolunda olan (2016 ortalarında
ulaşacak) Juno sondasının seyahati 5 yıl sürerken nasıl oluyor da 118 gün?
Discovery-II tasarlanırken, yeterince uzun olduğu düşünülen insanlı Mars
görevlerini bile gölgede bırakacak insanlı dış gezegenler görevleri göz önüne
alınmış. 1.690 tonluk bu geminin sadece reaktörü 310 ton olacak. Uluslararası
uzay istasyonunun 450 ton olduğu ve inşası için 115’den fazla fırlatma
gerçekleştirildiğini göz önüne alırsak, Discovery-II’yi tek bir ülkenin
altından kalkamayacağı kadar zorlu bir inşaat süreci bekliyor olabilir.
Discovery-II’nin füzyon reaktörünü çalıştırmak için yedek bir fisyon
reaktöründen faydalanılır. Füzyon reaktörü çalıştırıldığında hem elektrik
sağlarken, hem de gemide bulunan hidrojen yakıtı ısıtıp, saniyede 300
kilometreden fazla bir süratle püskürtecektir. Discovey-II tasarımı teknolojik
olarak uygulanabilir bir seviyeye gelmeden önce, özellikle küresel tokamak
reaktörleri ve D-He3 (Döteryum-Helyum3) füzyonu üzerinde derinlemesine
araştırmalar devam etmeli, bu konseptlerin uygulanabilirliği ve performansı
üzerinde kesin bir sonuca varılmalıdır.
Manyeto-Atalet Füzyon (Magneto Inertial Fusion – MIF)
Manyeto-Atalet Füzyon metotu, hem MCF hemde ICF yöntemlerinin özelliklerini
kullanan görece küçük reaktörler ile kütle sorununu çözebilir.
Bildiğimiz gibi Manyetik hapisleme devasa manyetik alanlar kullanırken, ICF
güçlü lazerlere ihtiyaç duyar. Kullanabileceğimiz iki yöntemin birleşimi olan
MIF metodunda, plazma elektro mıknatıslar ile hapsedilir ve saniyede 3
kilometrelik hızla merkezdeki bir silindirin içine çökertilir. Gerekirse
lazerler ile fazladan basınç ve sıcaklık sağlanır. Silindirin çevresi lityum
kaplıdır ve merkezde füzyon reaksiyonu ateşlendiğinde bu lityum itici yakıt
görevi görür. Böylesi reaksiyonlardan her dakikada 200 tanesi gerçekleştirilir
ve reaksiyon sonucu iyonize olan lityum ile, füzyon reaksiyonu ürünleri
manyetik bir egzozdan püskürtülerek itki elde edilir. Temel olarak Orion
projesi benzeri bir yöntemdir. Bu füzyon reaktörü gücünü Güneş panellerinden
veya yedek bir fisyon reaktöründen alabilir.
NIAC Füzyon Roketi (NIAC Fusion Driven Rocket – FDR)
NASA’nın NIAC çalışmalarınca 2012’de fonlanan projeye bir bakalım. Bu proje
ile manyeto-atalet füzyon roketi tasarımı tekrardan ele alınmış.
NIAC Füzyon Roketi (NIAC Fusion Driven Rocket). Nasa
tarafından yapılan bir konsept.
Tokamak füzyon reaktörleri uzayda kullanım için biraz fazla büyükler. En
kompakt olarak kabul edilen küresel tokamak bir reaktöre sahip uzay araçları
için bile 1.000 tondan yüksek kütle ön görülüyor. Karşılaştırmamız gerekirse,
hala yapım aşamasında olan SLS roketinin alçak Dünya yörüngesi için planlanan
maksimum yük kapasitesinin 130 ton olduğunu göz önüne alırsak, tokamak
reaktörlerinin biraz daha gelişmesini yada bir uzay asansörü inşa edilmesini
beklemeliyiz.
FDR, Manyeto-Atalet Füzyon metotunu kullanıyor. Bu reaktörü kullanacak gemi
çok daha düşük bir kütleye sahip olacaktır. Reaktöründe her dakika bir mikro
saniye sürecek reaksiyonlar gerçekleşecek. Açığa çıkan enerji katı-hal lityum
yakıtı ısıtmakta kullanılıp, yakıt yüksek bir egzoz hızıyla püskürtüldüğünde
itki elde edilir. Günümüzdeki teknolojiyle hali hazırda yapılabilecek ilk
füzyon roketi budur ve sadece bu roket bile gezegenlerarası yolculuğu sıradan
bir hale getirebilir.
FDR roketinin egzos bölümünün şeması.
Tabi ki bu tam anlamıyla kendi kendini besleyen sürdürülebilir bir reaktör
değil. Ancak bu şekilde dahi kimyasal roketlerin pabucunu dama atacaktır.
Proje üzerinde çalışan takım Washington Üniversitesi’nde bir prototip inşa
etti bile ve 2020’ye kadar yörüngede bir uzay aracında test edilebilecek
seviyeye gelecekleri konusunda umutlular.
Z-Pinch Roketi
Daha önce de bahsettiğimiz z-pinch reaktörü uzayda manyeto-atalet füzyon (Magneto
Inertial Fusion) tekniği ile kullanıldığında, füzyon reaksiyonu sonucu oluşan
enerjiyi, manyetik egzoz direkt itkiye çevirir. Her reaksiyon sonunda plazma
yüksek sıcaklık ve basınç ile sürekli genişleme eğiliminde olur. Öyle ki
plazma manyetik akımı sıkıştıracak güçtedir, bu da itki sağlayan bir basınç
oluşturur.
Z-Pinch roketinin temel şeması.
Bu plazma aynı zamanda katot görevi görürken, anot görevi görecek Lityum-6
izotopu plazma ile karışacak şekilde püskürtülerek. Böylesi bir roket, 350 ton
yakıt ile Mars seyahatini 30 güne indirebilir. Bu yakıt miktarı günümüzdeki
bir A380 uçağının taşıdığı maksimum yakıttan sadece biraz daha fazladır.
Gazdinamik Ayna Füzyonu (Gasdynamic Mirror Fusion)
Rusya’nın ve NASA’nın ayrı ayrı incelediği bu yöntem, manyetik ayna temelli
bir füzyon itki yöntemidir. Teorik olarak füzyon ile elde edilebilecek en
verimli itki çeşitlerindendir. Uzun ince tüp şekilli bir reaktörün merkezinde
manyetik alanlar ve mikrodalga antenleri ile sürekli bir füzyon reaksiyonu
oluşturulur. Manyetik alanlar ile plazma kontrol edilirken, reaksiyon
bölmesinin iki yanında manyetik aynalar plazmayı merkeze odaklayıp arka
egzozdan kaçmasını önlerler. Böylece plazma ve reaksiyon merkezde sabit bir
şekilde korunurken, üretilen enerji hidrojen yakıtı ısıtarak püskürtür. Bu
metodun en büyük sorunu, şu anki tasarımlar ile yüklü miktarda radyatöre
(soğutucu) ihtiyaç duymasıdır.
Gazdinamik Ayna Füzyonu (Gasdynamic Mirror Fusion)
kullanan bir geminin prototip tasarımı.
Gazdinamik Ayna Füzyonu, VASIMR ile oldukça benzer bir yapıya sahiptir ve
araştırma geliştirme çalışmaları benzer teknolojiler ve teknikler ile
sürdürülmektedir.
Elektron Işını Füzyonu (Electron Beam Fusion)
Teknolojik gelişim basamaklarının çok ilerisinde kalan bu teorik tasarımda,
yüksek enerjili elektronlar ile manyetik hapis halindeki plazmada füzyon
reaksiyonları oluşturulur. Işının oluşturacağı reaksiyonlar oldukça şiddetli
olacağından çok güçlü manyetik alanlara ihtiyaç vardır. Teorik olarak sürekli
kullanımdan ziyade seri aralıklarla ateşlenmesi için ideal bir sistemdir.
Bunlar dışında önerilen daha birçok füzyon roketi tasarımı mevcuttur ancak,
ana fikir vermesi açısında yakın gelecekte görebileceğimiz temel fikirleri
derlemeye çalıştık.
Son olarak bir de bilimkurgudan bir örnek verelim. Interstellar filminin uzay
gemisi Endurance’ı hatırlarsınız. Kendisi gelmiş geçmiş en gerçekçi bilimkurgu
gemilerinden biridir. Tasarımında bizzat mühendislerin ve bilim insanlarının
parmağı vardır.
Endurance, her birinde 3 egzoz bulunan 4 itki modülüne sahiptir. Bu egzozların
her biri manyetoplazma roketleridir ve güçlerini her modülde bulunan birer
kompakt tokamak reaktöründen alırlar. Bu sayede gemi çok az yakıt kütlesi ile
onca yolu katedebilmiştir.
Lockheed Martinin söz verdiği gibi kompakt füzyon reaktörlerimiz ve
manyetoplazma ya da VASIMR roketlerimiz olduğunda, benzer bir gemi tasarımı
Güneş Sistemi’nin keşfi için oldukça ideal olacaktır.
SONUÇ
Göründüğü gibi ne kadar zorlu ve pahalı olsa, geliştirilmesi şimdiden bir
insan ömründen uzun sürmüş de olsa ve fikir babaları güzel sonuçlarını asla
göremeyecek olsa bile, füzyon için harcanan bunca emeğe değer. Çünkü bilim
budur; bilgi birikimimiz ve teknolojimiz, geçmişten gelen edinimlerimiz
sayesinde büyüyüp gelişmektedir.
Evet, belki Star Trek’in ünlü gemisi Voyager gibi ışık
hızının 1.000 katına ulaşabilecek gemiler yapabilmek henüz hayallerimizin bile
ötesinde. Ancak, bilgi birikimlerimizi üst üste koyarak yavaş fakat kararlı
biçimde ilerlemeye devam ediyoruz.
Füzyon, bu yüksek potansiyeli ile bir kere yaygınlaştıktan sonra çok uzun
yıllar boyunca Dünya’da ve Güneş Sistemi’nde kullanılacaktır. Ancak nihai
amacımızın başka yıldızlara ulaşmak olduğunu varsayarsak, füzyon dahi yeterli
değildir. Yıldızlararası yolculuk için en yüksek olasılığı hala Geleceğin İtki
Sistemleri 3‘de bahsettiğimiz Orion ve Daedalus projeleri vermektedir.
Tabi yazı dizimizin devam bölümlerinde bahsedeceğimiz uzay yelkenlileri ve
ramjetler bize yeni olasılıklar sağlayabilir. Özellikle çıtayı bir sonraki
seviyeye çıkarıp antimaddeden bahsettiğimizde teknolojimizin sınırlarında
nasıl olasılıklar olduğuna şaşırabiliriz.
Berkan Alptekin
Geleceğin İtki Sistemleri 5: Antimadde
Roketleri