10 miligram yakıtla Mars’a ulaşmak mümkün, 300 ton yakıtla yıldızlara ulaşmak
mümkün. Bugünkü teknolojimiz dahi buna izin veriyor. Yazı dizimizin önceki
bölümlerinde bahsettiğimiz çeşitli nükleer roketlerle neredeyse 100 yıl, hatta
50 yıl sürebilecek seyahatler ile Centauri yıldız sistemine ulaşmak teorik
olarak mümkün. Özellikle inşa edilecek geminin gerisinde patlatılacak nükleer
bombalarla, yani “nuclear pulse propulsion (nükleer darbe itkisi)” yöntemi ile
ışık hızının düşük bir yüzdesine çıkılabilir. Tabi böylesi bir aracın önünde;
patlamaların Dünya’ya zarar vermeyeceği uzak bir yörüngede inşa edilmesi,
uzayda onlarca yıllık seyahatlere dayanacak bir yapıda olması ve en önemlisi,
ödenek gereksinimi gibi sayısız engel mevcut. Kısacası en az 100 yıldan önce
Güneş Sistemi’ni terk etmemiz pek mümkün görünmüyor.
O zaman gelecek için konuşalım. Güneşimize en yakın yıldıza 100 ya da 50
yıllık bir seyahat çok uzun, öyle değil mi? İnsanları dondurmanın bir
yöntemini bulamazsak, ancak Dünya’yı terk eden mürettebatın çocukları hedef
yıldıza ulaşabilir. Peki, daha hızlı olmamız mümkün mü? Teorik olarak evet.
Bizi Centauri yıldız sistemine aşağı yukarı 10 yılda ulaştıracak oldukça
verimli bir teknoloji biliyoruz, nasıl çalışacağını biliyoruz, bugün dahi
üzerinde deneyler yapılıyor. Ama en büyük sorunu, bu teknoloji için
günümüzdeki yöntemlerle yeterince yakıt üretmemiz binlerce yıl sürebilir.
Antimadde ile ilgili yazımızda, maddenin bu zıt halinin ne olduğundan ve
üzerinde yapılan araştırmalardan bahsettik. Şimdiyse ağızları en çok
sulandıran, roket olarak kullanımından bahsedelim.
MADDENİN ENERJİYE DÖNÜŞÜMÜ
E=mc^2 denklemini görmemiş olan yoktur, ne yazık ki anlamını bilmeyen çoktur.
Bu denklem bize bir birim maddenin ne kadar enerji açığa çıkarabileceğini
söyler. Örneğin bir gram madde ve bir gram antimaddeyi reaksiyona sokalım.
Denklemimiz şu şekilde işliyor:
(Kilogram cinsinden madde miktarı) x (metre/saniye cinsinden ışık hızının
karesi) = Joule cinsinden enerji
Bu bağlamda 0.002kg x 89.875.517.900.000.000 (yaklaşık 9,0 x 10^16) = 1.8 x
10^14 Joule açığa çıkarır.
Bu enerji miktarı 43 kilotona eşdeğerdir. (Hiroşimaya atılan atom bombası 15
kilotonluktu.)
Bu bildiğimiz diğer herhangi bir yöntemden çok daha yoğun bir enerjidir.
Ne yazık ki günümüzde kadar üretilen bütün antimadde parçacıklarını reaksiyona
sokabilseydik, açığa çıkan enerji bir ampulü kısa süreliğine yakacak miktarda
olacaktı. Tam kapasitede çalışırken CERN bir gram antimaddeyi 100 milyar yılda
üretebilir durumda. Yani henüz etkili bir üretim metodumuz yok, ama yakın ve
uzak gelecek için günümüzün parçacık hızlandırıcılarından daha verimli
fikirler mevcut.
ANTİMADDE ÜRETİMİ
Günümüzde antimadde hızlandırıcılarda yan ürün olarak üretilmekte, ancak
sadece antimadde üretme amacı taşıyan fabrikalar üretim miktarını
arttırabilir. Çeşitli simülasyonlara göre haftada 10 mikrogram üretim
kapasiteli fabrikalar yapmak bugün mümkün. Ancak en kabul edilebilir çözüm
antimaddeyi uzayda üretmek olacaktır. Yakın gelecekte Dünya yörüngesine
yerleştirilecek, süper iletkenler ile manyetik alan üreten istasyonlar sadece
bir günde mikrogramlarca antimaddeyi Dünya’nın manyetik alanından
toplayabilir.
Günümüzde parçacık hızlandırıcılarda antimadde “yan ürün” olarak çok çok küçük
miktarda ortaya çıkmaktadır.
Ancak teorik olarak en işe yarar yöntem, yaklaşık yüz kilometrelik bir alan
kaplayan güneş panelleriyle on terawatt enerji üreten bir istasyonun
hızlandırıcılar ile sürekli antimadde üretmesi olacaktır. Böyle bir istasyon
günde bir gram antimadde üretebilir. Daha ileri gidip benzer bir istasyonun
Merkür yakınlarında inşa edilmesi durumunda, hem güneş enerjisinden olabilecek
en verimli şekilde faydalanıp hem de güneşten kaynaklanan hızlanmış
parçacıklarla hayal edebileceğimizden daha verimli antimadde üretimi
yapılabilir. Bunlar tabi ki en az bir yüz yıl göremeyeceğimiz şeyler olsa da,
bir gün yapılabilecek olmalarını bilmek güzel.
Yeteri kadar antimadde topladıktan sonra nasıl kullanacağız peki?
Roket modellerini incelemeden önce bu roketlerin hemen hepsinin yüksek
miktarda gamma radyasyonu saçacağını ve oldukça iyi kalkanlanmış olmaları
gerektiğini söylemekte fayda var. Bütün konsept tasarımlar mürettebat bölümü
ve roket bölümünü sağlam ve yeterince kalın kalkanlar ile birbirinden ayırır.
İşte çeşitli antimadde roketi modelleri:
SAF ANTİMADDE ROKETLERİ
Beam Core – Pion Rocket / Işın Çekirdekli – Pion Roketi
Bu roketler Proton – Antiproton reaksiyonları kullanırlar. Reaksiyon sonucu
açığa çıkan nötrino ve gamma ışınları yanında yüklü ve yüksüz pion
parçacıkları da üretilir. Yüklü pionlar manyetik alan üreten manyetik egzoz
yardımıyla yönlendirilerek itki sağlarlar.
Pion roketi denen bu yöntem, antimaddenin potansiyeli ile kıyaslandığında pek
verimli değildir, açığa çıkan enerjinin küçük bir yüzdesi itki olarak
kullanılır. Yine bu pionlardan alınabilecek verimlilikte manyetik egzozun türü
ile sınırlıdır. Buna rağmen termal antimadde roketleri ile kıyaslandığında çok
daha yüksek bir verimliliğe sahiptir.
British Interplanetary Society (Britanya Gezegenlerarası Topluluğu) yaptığı
çalışmalarda pion roketleriyle yıldızlararası yolculuğu incelemiş: CERN’de
yapılan araştırmalara göre, maksimum egzoz çıkış hızı 0.69c (ışık hızının
%69’u) olan pion roketi ile 0.5c (ışık hızının yarısı) sürate kadar hızlanıp,
hedefe yaklaşıldıkça yavaşlayacak bir gemiyle Centauri yıldız sistemine 9
yılda ulaşmak mümkündür. Tabi ihtiyaç duyulan toplam madde – antimadde yakıt
geminin yakıt olmayan ağırlığının 5.64 katı olmak zorunda.
Diğer bir deyişle 100 tonluk bir gemi için 282 ton proton ve 282 ton
antiproton gerekmekte. Bu miktarlar bugün hayal olsa da uzak gelecekte mümkün
olabilir. Bkz: 1, Bkz: 2
Not: Işık hızının yarı süratinde 9 yıl sürecek bir yolculuk dedik. Bildiğiniz
gibi ışık hızına yaklaşıldıkça zaman yavaşlar, peki ışık hızının yarı hızında
seyahat eden gemimizde ne kadar zaman geçer? Şu sitedeki denklemi biraz
kurcalarsanız siz de bulabilirsiniz. Bu denklemden yola çıkarak, Dünya’da 9
yıl geçerken gemidekiler için 7.79 yıl geçtiğini buluyoruz.
ELEKTRON – POZİTRON ROKETİ
Elektron ve pozitron reaksiyonları sadece gamma ışınları üretir ve gamma
ışınlarını direkt itki üretmek için kullanabileceğimiz bir yöntem yoktur.
Açığa çıkan gamma ışınlarını soğuracak ve elde edilen enerji ile itki
sağlayacak bir yelken fikri de henüz oldukça kuramsaldır.
TERMAL ANTİMADDE ROKETLERİ
Bunlar tıpkı nükleer termal roketler gibi ikincil bir yakıtın ısıtılıp
püskürtülmesi yöntemi ile çalışan roket çeşitleridir. Daha az antimadde
gerektirmeleri avantajlarıdır, ancak daha düşük itki ve verimlilikle
yıldızlararası görevler yerine gezegenlerarası görevler için idealdir.
SOLİD CORE ROCKET / KATI ÇEKİRDEKLİ ROKET
Temel olarak nükleer termal roketlere, örneğin NERVA’ya benzer. En büyük farkı
nükleer reaktör yerine atom numarası büyük, örneğin tungsten gibi bir element
alır. Bu elementin yakınlarında gerçekleştirilen proton – antiproton
reaksiyonlarından kaynaklanan gamma ışınları ve pionlar veya elektron-pozitron
reaksiyonlarından kaynaklanan gamma ışınları tungsteni ısıtır. Ardından
hidrojen yakıt tungstenin olduğu bölgeye püskürtülerek ısıtılır ve ısınan gaz
püskürtülerek itki elde edilir. Yüksek itki üreten bu yöntemin yakıt
performansı, materyal kısıtlamaları yüzünden nükleer termal roketlere
yakındır.
NASA’nın NIAC programında incelenen antimadde ile çalışan Mars gemisi konsepti
şunları sağlıyor:
Sadece 10 miligram pozitron, 428 ton TNT veya 23 uzay mekiği harici yakıt
tankına denk gelen enerji barındırıyor. Bu miktardaki yakıtın üreteceği
enerji, Mars’a bir ayda gidiş ve bir ayda dönüş yolculuğunu mümkün kılıyor.
Nükleer termal roketlerden çok daha basit bir yöntem olsa da antimadde
üretiminin zorluğu sebebiyle yakın gelecekte nükleer termal yerine tercih
edilmesi henüz beklenmiyor.
GAS CORE ROCKET / GAZ ÇEKİRDEKLİ ROKET
Bu yöntemde mikroskobik seviyelerde antimadde, sıvı veya gaz haldeki su veya
hidrojen yakıta püskürtülür. Reaksiyonlar sonucu plazmaya dönüşen yakıt
egzozdan püskürtülür. Bu yöntem katı çekirdeğe göre daha yüksek verimlilik ve
daha yüksek ısı sağlar.
PLASMA CORE ROCKET / PLAZMA ÇEKİRDEKLİ ROKET
Gaz çekirdeği yöntemine oldukça benzer, ancak daha fazla antimadde
kullanılarak yakıt plazmaya dönüştürülür. Katı ve gaz çekirdekli roketlerden
çok daha yüksek egzoz hızları ve verimliliğe sahiptir.
POZİTRON SOĞURMA
Bu motor türünde egzozda kurşun tarafından çevrelenmiş materyal pozitron
bombardımanına tabi tutulur. Açığa çıkan gamma ışınları çevresindeki kurşun
kaplama tarafından emilir ve daha düşük enerjili X-ışınları açığa çıkar.
X-ışınları materyalin geri kalanını buharlaştırarak itki sağlar.
HİBRİT ANTİMADDE KATALİZE FİSYON / FÜZYON
Orion nükleer darbeli itki yöntemi oldukça kaba kuvvettir, kuramsal ve teorik
teknolojiler göz önüne alındığında görece ilkeldir, basittir. Nükleer
patlamalar ile itki üretir. Fisyon bombalarının bu konuda en büyük kısıtlaması
fizik kanunlarının 10 ton/42 GJ’den düşük enerjiye denk gelen veya 25
kilogramdan daha hafif nükleer patlayıcılara kritik kütle kısıtlaması
sebebiyle izin vermemesidir. En küçük patlayıcı birimin kütle olarak büyük
olması ve patlamaların şiddeti boyutları arttırmakta ve mühendisliği
zorlaştırmaktadır. Ancak birazcık antimadde ile kritik kütle kısıtlamasının
üstesinden gelmek mümkündür.
ANTIPROTON-CATALYZED MICROFISSION (ACMF) / ANTİPROTON-KATALİZE MİKROFİSYON
ACMF bir nükleer darbe itkisi yöntemidir. Harici nükleer patlamaların
yaratacağı itkiyi kullanır ve Orion, Deadelous & Longshot projelerinin
mirasıdır.
Penn State Üniversitesinin üzerinde çalıştığı teorik ICAN-II uzay gemisi
sadece 140 nanogram antiprotonla Mars’a gidişi garantileyen bir araç
tasarımıdır ve ACMF roketini temel alır. Oldukça yüksek miktarlarda açığa
çıkan radyasyon uygun şekilde kalkanlanırsa, bu hibrid yöntem en az miktarda
antimaddeyi kullanarak bu yüzyıl içinde Mars yolculuğu için alternatif bir
yöntem olabilir. (Antimadde fabrikalarının inşa edileceğini varsayarsak tabi
ki)
ICAN-II toplamda 625 ton kütlesinde bir araçtır. Bunun 82 tonu mürettebat ve
yük için ayrılmış durumda. Bunlar onlarca fırlatma ile yörüngede inşayı
gerektiren ve şu anda trilyonlar değerinde antimadde yakıt ihtiyacını temsil
eden sayılar. Yani bugün için ve yakın gelecekte (2030 – 2050) yapılacak Mars
görevleri için oldukça absürt ve pahalı sayılar ancak uzak gelecekte günlük
hayatın ve uzay görevlerinin bir parçası olabilir.
Not: Yakında kullanıma girecek SLS roketleri, alçak Dünya yörüngesine modele
göre 70 – 100 ton arası yük fırlatabilecekler.
NASA’nın şu anki Mars görev planı, Orion komuta modülüne eklenecek 16 aylık
bir yolculuğa elverişli 20-40 ton aralığında bir derin uzay modülünü, bir sıvı
hal roketine veya bir nükleer termal rokete veya bir iyon/plazma iticisine
bağlamaya yönelik. Daha önceki yazılarımızda bahsettiğimiz gibi, kullanılacak
roket teknolojisine göre bu yolculuk sıvı yakıt roketleri ile 16 ay, nükleer
termal roketlerle 180 gün veya plazma roketleri ile 39 gün sürebilir.
ICAN-II ye güç veren roket şu şekilde çalışıyor; 3 gramlık 9:1 oranında
Döteryum-Uranyumdan oluşan ve 200 gramlık küresel bir kurşun kaplama ile
çevrelenen nükleer yakıt hücreleri 10^11 kadar antiproton ile bombalanır.
Böylece her bir yakıt hücresi 72 ton TNT’ye denk gelen enerji açığa çıkararak
106.000 newton itki üretir ve saniyede 1000 kilometreye yaklaşan egzoz hızı
sağlar. ICAN-II bu yöntem ile 0.015g’lik bir hızlanma elde ederek üç günde
saniyede 25 kilometrelik bir hıza çıkabilir.
Benzer bir konsept de antimadde kullanarak p-B11 füzyon reaksiyonları üretmek.
P-B11 en yüksek enerji potansiyeline sahip reaksiyonlardan biridir ve
geleneksel yöntemler ile sürdürülebilmesi şu anda olanaksızdır. Ancak bu yakıt
antiprotonlar ile bombalandığı zaman çok yüksek yakıt verimliliği ve itkiyle
Güneş sisteminin insanlı keşfinin önünü açabilir. (Bkz: 3)
ANTIMATTER-INITIATED MICROFUSION (AIM) / ANTİMADDE-TETİKLEMELİ MİKROFÜZYON
Penn State Üniversitesi’nde geliştirilen başka bir fikir olan AIM de, bizzat
yıldızlararası uzaya gönderilecek robot bir sondaya güç vermesi amacıyla
tasarlanmış.
Çalışma şekli biraz daha farklı. Bir elektromanyetik alana yerleştirilen 100
milyar antiprotona bir miktar U-238 ve 42 nanogram döteryum/helyum-3 enjekte
edilir. U-238 fisyon reaksiyonu başlatarak döteryum/helyum-3 karışımını
plazmaya dönüştürür. Elektromanyetik alanda sıkışan plazma, 20 milisaniye
boyunca füzyon reaksiyonu sürdürür. Açığa çıkan bu reaksiyonlar itki sağlar.
Bu yöntem ile çalışan AIMstar sondasının Oort bulutuna (yaklaşık olarak 10.000
AU mesafeye) saniyede 960 kilometre sürat ile (ışık hızının 1/300’ü) 50 yılda
erişmesi mümkün olabilir. (Bkz: 4)
Not: Referans için; Plutonun şu anda yaklaşık 30 AU mesafede olduğunu
ve Proxima Centaurinin 271.900 AU mesafede olduğunu hatırlatırız.
BİLİMKURGUDA ANTİMADDE ROKETLERİ
Daha önce antimadde bilimkurguda defalarca geçmiştir ancak bugün bilimsel
Dünya’nın bir parçası olduğuna göre, gerçekten de nasıl kullanıldığını
görebileceğimiz gerçekçi bir örneği incelemekte fayda var.
James Cameron’ın Avatar filmi hem bilimkurgu hem de bilim çevrelerince
üzerinde en çok düşünülmüş, en gerçekçi yıldız gemisi modellerinden birine
sahiptir.
ISV Venture Star yıldız gemisini filmin başında görebilirsiniz. Bu gemi
gezegen yörüngesine girmekte kullanacağı bir füzyon roketine, iki hibrid
antimadde/füzyon roketine ve bir ışık yelkenlisine sahiptir.
Avatar filmindeki Venture Star yıldız gemisi…
Venture Star, Güneş sisteminden ayrılırken yakıt kullanmaz, bunun yerine
açıldığında kilometrelerce kare alan kaplayan ışık yelkenlisini açar. Bu
yelkenli güneşe yakın bir yörüngeye inşa edilmiş ve gücünü güneşten alan çok
güçlü bir lazer ile aylar boyunca hızlandırılır. Gerçekten de güneş
yelkenlilerinin ve lazer yelkenlilerinin bu şekilde işe yarayacağını
biliyoruz. Çok güçlü bir lazerin bu şekilde bir gemiyi ışık hızının 70%’si bir
hıza 6 ayda çıkarması artık bilimkurgu değildir, sadece bir mühendislik
problemidir.
Gemi 0.7c sürat ile 6 yıl seyahat ettikten sonra kendi ekseni etrafında 180
derece döner ve hidrojen/anti-hidrojen reaksiyonları ile çalışmaya başlayıp
fazladan hidrojeni füzyon reaksiyonuna sokarak ekstra itki elde eden
roketlerini çalıştırır. Aylar içerisinde gemi 0.7c süratten Pandora
yörüngesine girebileceği düşük hızlara kadar yavaşlar.
Geri dönerken de aynı roketlerini kullanarak kalan yakıtını harcayarak 0.7c
sürate çıkar, 6 yıllık seyahatten sonra ışık yelkenlisini açarak Güneş
sisteminden ateşlenen lazer yardımı ile yavaşlar ve Dünya yörüngesine girer.
Bu gemi bilimkurgudur ama imkansız değil, teorik olarak inşa edilebilecek bir
gemidir. Tabi ki antimadde üretimi, antimaddenin muhafaza edilmesi, yüksek
güçlü lazer, yaşam destek sistemleri ve daha niceleri gibi sayısız mühendislik
problemini barındırsa da, uzak gelecekte gerçekten de benzerlerinin
görülebileceği mantıklı bir modeldir.
Sevgili okurlar, antimadde roketlerinin nasıl çalışacağını ve bu roketleri
kullanan gemilerin neye benzeyeceğini işledik. Kendi ömrümüzde göremeyeceğiz,
en fazla antimadde üretiminin artacağına dair haberler duyarak yetinebiliriz.
Ama gelecekte torunlarımız ve onların devamından gelecek nesiller için bu
teknolojiler ve henüz akla hayale gelmeyen gelişmiş versiyonları bir gün
gerçek olacak ve başka yıldızlara ulaşmalarını sağlayacaktır.
Hazırlayan: Berkan Alptekin
Geleceğin İtki Sistemleri – 6 – Işık Yelkenlileri