Bizim neslimiz bile Güneş’ten veya insan yapımı lazerlerden ışık alan dev
yelkenler fikrinden bihaberdir. Ancak gerek matematik gerekse yakın zamanda
yörüngede yapılan bir test bize bu yöntemin işe yaradığını gösterdi.
Yani bir uzay aracının önüne Güneş’ten gelen ışığı yakalayacak büyük bir
yelken yerleştirirseniz roket yakıtı harcamadan aracı hızlandırabilirsiniz.
Bu itkinin yönlendirilmesi zor olsa da, çok güçlü lazerlerle ışık yağmuruna
tutulan yelkenlilerin ışık hızının ciddi yüzdelerine erişebilmeleri mümkündür.
Peki, bir elektromanyetik radyasyon türü olan kütlesiz fotonlardan oluşan ışık
nasıl oluyor da yelkenliyi itebiliyor?
RADYASYON(IŞIMA) BASINCI
Radyasyon basıncı, elektromanyetik radyasyon türlerinin herhangi bir maddeye
uyguladığı, kendini emilim ve/veya yansıma olarak gösteren bir etkileşimdir.
Radyasyon basıncı ile ortaya çıkan güçler çok zayıftır ama astronomi ve
astrodinamikler açısından büyük etkiye sahiptirler. Örneğin Marsa gönderilen
Viking araçlarının maruz kaldığı radyasyon basıncı önceden hesaplanmamış
olsaydı, rotalarında 15.000 km’lik bir sapma olacaktı.
Yansıma:
Fotonlar kütlesizdir ancak hem dalga hem de parçacık özellikleri
göstermektedirler. Dalga-parçacık ikilemi denen bu özelliklerinde parçacık
karakteristiğinden gelen enerji ve momentum, ışık hızında hareket eden bu
parçacıkların madde benzeri özellikler göstermesini sağlar. Bu sebeple
fotonlar bir maddeye çaptıklarında yansıma yaparken maddeye Newton’ın ikinci
ve üçüncü kanunları uyarınca momentumlarının bir kısmını aktarırlar.
Emilim:
Maxwell’in elektromanyetizma teorisine göre elektromanyetik dalga momentum
taşır. Bu momentum herhangi bir emilim yapan ya da yansıma yapan yüzey
tarafından emilebilir. Fotonların dalga karakteristiği de bu şekilde momentum
uygulamalarına sebep olur.
Salma(Emisyon) sonucu oluşan radyasyon basıncı:
Elektromanyetik radyasyon türlerine maruz kalan madde ısınır ve ısınma sonucu
termal enerji saçar. Termal enerji saçan yüzeyler, bu radyasyonun saçılımından
kaynaklanan reaktif etki sayesinde momentum sahibi olur.
Güneşimiz gibi bütün yıldızlar bu şekilde çevrelerindeki cisimlere radyasyon
basıncı uygulayarak enerji taşır. Dünya yörüngesi civarında (1AU), güneşimizin
uyguladığı bu radyasyon basıncı 9.08 mikro paskaldır (mikro newton/metrekare).
Tahmin edebileceğiniz gibi küçük asteroidler, uydular gibi küçük cisimler bu
radyasyondan düşük kütle ve atalet özellikleri sebebiyle daha çok etkilenir.
Radyasyon basıncı ile ilgili en dramatik örnek, yüzlerce dış gezegen (Güneş
sistemi dışı) keşfetmemizi sağlayan Kepler Uzay Teleskopu ile ilgilidir. Dört
adet reaksiyon tekerinden (yakıt harcamadan çok düşük oranlarda dönüş sağlayan
momentum üreticiler) birini kaybeden Kepler, Güneş’ten kaynaklanan radyasyon
basıncı ile denge sağlayıp hala gözlem yapabilmektedir. Güneş kaynaklı bu
enerji ile uzayda yelkenli kullanma fikrini ilk ortaya atanın da Johannes
Kepler olması güzel bir rastlantıdır.[1]
Kepler Uzay Teleskobu
GÜNEŞ YELKENLİLERİ
Radyasyon basıncını anladığımıza göre bunun nasıl bir yelkenli olacağına
bakalım.
Kesinlikle dünyadaki yelkenlilerden çok daha yavaş hızlanacaktır, normal bir
yelkenli teknenin süratine sahip olması için bile günler geçebilir. Ancak
uzayda sürtünme olmadığı için aracımız sürekli hızlanmaya devam edecektir.
Öncelikle biraz tarihçe:
Temel olarak fikir babası ünlü Alman matematikçi ve astronom Johannes Kepler‘dir.
1610’da gözlemlediği kuyrukluyıldızın kuyruğunun Güneş’ten aksi yöne uzanıyor
olması sonucu Galileo’ya şöyle bir mektup yazmıştır:
“Uzaydaki esintilere uygun gemiler ve yelkenler sağlanırsa, boşluğa bile göğüs
gerecek cesarette kimseler ortaya çıkacaktır.”
Gerçekten de uzay yelkenlileri fikri daha iyi özetlenemezdi.
1861-64 yılları arasında İskoç asıllı ünlü fizikçi James Clerck Maxwell,
yayınladığı makalede elektromanyetik alanlar ve radyasyon teorisini
yayınlayarak, ışığın momentumu olduğunu ve maddeye basınç uygulayabileceğini
öne sürmüştür. Böylece Maxwell’in denklemleri güneş yelkenlilerinin ilk
temelini atmış oldu.
1899’da Pyetr Labedev, fikrin ilk deneysel uygulamasını göstermiştir. Einstein
p=E/c denklemi ile momentumun enerji ve ışık hızı ile olan ilişkisini ortaya
çıkarmıştır.
1908’de Svante Arrhenius, Güneş kaynaklı radyasyon basıncı ile yaşamın temel
yapı taşlarının uzak yıldızlara ulaşabileceği fikrini ortaya atmıştır. 1925’te
ise Friedrich Zander, çok ince ve büyük yelkenler ile inanılmaz süratlere
ulaşılabileceğini ortaya çıkaran teknik analizleri yapmıştır.
20.yüzyıl boyunca birçok bilim insanı bu konuda çalışma yaptıktan sonra, ilk
resmi teknolojik uygulama pratikleri 1976’da NASA Jet İtki Laboratuvarları’nda
başlamıştır.
NanoSail-D (solar sail test satellite in low Earth
orbit)
Karakteristikler:
Güneş yelkenlerinin 800 metreden 15 kilometreye kadar değişen boylarda çeşitli
modelleri tasarlanmıştır. Güneş’ten hatırı sayılır ivmeler elde etmek için bu
yelkenlerin kilometrelerce alan kaplaması gerekebilir. Genel olarak
kullanılması planlanan materyal 2 mikro metrelik Kapton film, Güneş’ten 0.25AU
mesafeye kadar ısıya dayanabilir.
Şu anda geliştirilmekte olan karbon fiberler ve gelecekte moleküler seviyede
işlenen nano tüp materyaller yelkenler için oldukça ideal malzemeler
olacaktır.
Ayrıca NASA’nın NIAC çalışmaları, Alumina’nın çok etkili bir lazer yelkenlisi
ve karbon fiberlerin de verimli bir mikrodalga yelkenlisi olacağını
göstermiştir.
Uzayda kullanımı:
Gelecekte uzayda üretilip işlenecek böylesi malzemelerle Dünya’dan fırlatmanın
çok zor olacağı devasa yelkenler inşa edilebilir ve insanlı görevler
gerçekleştirilebilir.
Yapılan çalışmalara göre sadece 800 metrelik bir Güneş yelkeni dahi Mars’a 2
tonluk bir yükü 400 günde veya 9 tonluk bir yükü 700 günde ulaştırabilir. 2000
metrelik bir yelken ise Mars’a 400 günde 23 ton taşıyabilir. Tabi bu
yelkenlilerin verimliliği uzak mesafelerde ortaya çıkıyor. Jüpiter’e 2 yıl,
Satürn’e 3.3 yıl, Uranüs’e 5.8 yıl ve Neptün’e 8.5 yıl (Voyager 2 Neptün’e 12
yılda ulaşmıştır) sürebilecek yolculuklar, özellikle yörüngeye girişin
gerekmediği yakın geçiş görevleri için oldukça idealdir. Bir Güneş yelkenlisi
bu dış gezegenlere saniyede yaklaşık 17-20 kilometre arası hızlarda ulaşacağı
için yavaşlama sorundur. Araç yanında yörüngeye girmesine yardım edecek bir
roket taşımıyorsa gezegenlerin atmosferini kullanarak aerobraking denen
frenleme yapılması tek çözümdür. Tabi bu frenleme de yüksek hızlarda oldukça
risklidir.
Frenleme gerektirmeyen görevleri, örneğin Oort bulutuna 30 yıl sürecek bir
görevi, yelkenlilerle gerçekleştirmek mümkündür. Özellikle çok yüksek
sıcaklığa dayanıklı bir yelkeni Güneş’in 0.05 AU mesafesinde açmak, 36.4
m/s^2’lik bir hızlanma ile saniyede 950 kilometreye sadece bir günde
ulaşılmasını sağlayabilir.
Gelecekte Güneşe doğru fırlatılan ısıya dayanıklı bir uzay aracını 0.05 AU’da
yelken açarak daha önce sadece hayal edebileceğimiz hızlarda derin uzaya
göndermek sanılandan çok daha kolay olacak.
Güneş yelkenlileri ile yıldızlar arası görevler:
Güneşe yakın mesafelerde yelken açan bir araç yıldızlara da gönderilebilir ve
hiç yakıt harcamadan ulaşacağı yıldızın radyasyon basıncı ile yavaşlayarak
yörüngeye girebilir. Örnek olarak hızı saniyede 1000 kilometreye çıkan bir
yelkenli Proxima Centauri’ye ortalama 1200 yılda ulaşabilir. Günümüz
roketlerinin ulaştığından çok daha kısa olan bu süre yine de istediğimiz kadar
kısa değildir.
Yelken boyutunu büyütmek ve kullanılan malzemeyi olabildiğince hafif yapmak
her zaman işe yarar ama çok daha yüksek hızlar için, lazer ya da mikrodalga
gibi yönlendirilmiş enerji ile uzun mesafelerden dahi yelkenin sürekli
hızlanmasını sağlamak gerekir. Çok yüksek güçlü bir lazer, aracı ışık hızının
yüksek yüzdelerine kadar çıkartarak yolculuk süresini gayet kabul edilebilir
olan 10 yıla düşürebilir. Tabi çok yüksek süratlerde hedef yıldızın radyasyon
basıncının yavaşlama için yetersiz olması sorunu ortaya çıkacaktır. Bu sebeple
araca az yakıtlı yüksek enerjili bir roket, örneğin bir antimadde roketi
eklemek yavaşlamasını sağlamakta oldukça yardımcı olabilir.
Cosmos-I türü yelkenlinin bir sanatçı tarafından betimlemesi
IŞIK YELKENLİSİ TÜRLERİ
Herhangi bir materyal bir yıldızdan kaynaklanan radyasyon basıncını hızlanmak
veya yavaşlamak amacıyla kullanabilir. Ancak çeşitli metotlar için farklı
yelkenli türleri bir yıldızdan kaynaklanan radyasyon basıncından çok daha
verimli olabilir. Bu metotları inceleyelim.
Lazer Yelkeni
Dünyadaki veya uzaya yerleştirilmiş bir lazer Güneş ışığından çok daha yüksek
bir enerji yoğunluğuna sahiptir, bu sebeple kullanılacak yelken çok küçük
olabilir. İnşa edilecek çok güçlü lazerler insan ömrü içerisinde yıldızlara
ulaşmayı mümkün kılabilir.
İnsansız görevler tabi ki çok daha kolay olacaktır. NASA, NIAC çalışmaları
kapsamında 50-70 gigawattlık bir lazerin, 1 metrelik lazere sahip bir gramlık
bir robotu sadece 10 dakikada ışık hızının %26’sına ulaştırabileceğini
öngörmüştür. Tabi ki böylesi küçük bir aracın hem iletişim kurup hem de
elektrik üretebilmesi için her nanometresinin nanoteknoloji ile üretilmiş bir
nanoteknoloji harikası olması gerekir.
Daha yüksek kütleli araçların hızlandırılması daha uzun sürse de, diğer bütün
metotlardan daha hızlı olacaktır. Özellikle teknolojimiz geliştikçe gücünü
bizzat Güneş’ten alan, Merkür yakınlarına yerleştirilen lazerlerin
aydınlattığı yüzlerce kilometrelik yelkenlerle taşınan yüzlerce tonluk yükler
ışık hızının önemli yüzdelerine hızlandırılabilir.
Mikrodalga Yelkeni
Lazer yerine mikrodalgaları kullanmak da mümkündür ve testleri bizzat NASA Jet
İtki Laboratuvarlarında yapılmıştır. Genel olarak lazerlerden çok daha uzun
süre kullanılan, üzerinde uzmanlaşılmış aygıtlar olsa da aynı mesafe için
lazerlerden çok daha büyük mikrodalga cihazları gerekmektedir. Ancak
mikrodalgalar çok daha yüksek hızlanma sağlarlar. Yani lazerlerin dünyadan
fırlatamayacağı düşük kütleli araçları mikrodalgalarla fırlatmak mümkündür.[2]
Elektrik Yelkeni
Bu yelkenli türünde elektrik alan oluşturmak için küçük kablolarla çevrili
yelken, Güneş rüzgarı kaynaklı pozitif protonları iterek momentum kazanır. Bu
yelken türünü gezegenlerin manyetosferi içerisinde kullanmak güneş rüzgarları
girmediği için pek mümkün değildir.
Manyetik Yelken
Elektrik yelkeni benzeri bu yelken ise Güneş’ten gelen yüklü parçacıkları
manyetik alanlarla yansıtarak momentum elde eder. Bu yelken türü manyetosfer
içinde de rahatlıkla işler.
YELKEN GÖREVLERİ
Znamya 2 ve Znamya 2.5:
1993’te Eski Rus uzay istasyonu Mir’den bırakılan bu ilk sondalar 20 metrelik
yelkenler taşıyorlardı ancak Znamya 2 herhangi bir hızlanma göstermezken,
Znamya 2.5 yelkenlerini dahi açamadı.
Cosmos I:
Planetary Society tarafından üretilen Cosmos I, bir Güneş yelkeni taşıyan ilk
uzay aracıydı ancak rokette meydana gelen bir arıza sebebiyle gerekli
yörüngeye oturamadı.
Ikaros 2010:
2010’da JAXA (Japon Uzay Ajansı) tarafından fırlatılan bu ilk yelkenli 14×14
metrekare büyüklüğünde ve 7.5 mikro metre inceliğindeydi.
Ikaros hem en küçük hem de ilk Güneş yelkenli gezegenler arası araç olarak
kayıtlara geçerek, yelkeninin de yardımıyla Venüs’e ulaştı. Bu süre boyunca
yelken kontrolü konusunda da çalışmalar yapıldı.
Ikaros şu anda Güneş çevresinde bir yörüngede, yetersiz güç sebebiyle sadece
belli aralıklarla uyandırılarak çalışmalara devam ediyor. Bir sonraki
uyandırılışı 2015 kışında olacak.
Ikaros’un 64’te 1’i boyutundaki maketi
LigthSail:
2015’te ABD Hava Kuvvetleri’ne ait X-37B insansız uzay uçağı ile yörüngeye
fırlatılan Planetary Society’ye ait LightSail-1 isimli küp uydu 32
metrekarelik yelken taşıyordu. Yörüngeye yerleştirilişinden sonra bazı
elektrik problemleri yaşayan uydu, sonunda yelkenlerini açarak başarılı
şekilde testlerini gerçekleştirdi.
Önümüzdeki sene fırlatılacak LigthSail-2, yelken kontrolü üzerinde deneyler
yapacakken bir sonraki uydu LightSail-3, L1 Lagrangian noktasına
yerleştirilerek Güneş’in jeomanyetik fırtınaları üzerine araştırmalar yapacak.
NASA’nın 2018’de fırlatılacak yelkenli taşıyan NEA-scout uydusu, dünyaya yakın
1-100 metre arası asteroidlere gidip yakından gözlem yapacak.
Göründüğü gibi yakın gelecekte çok ciddi projeler olmasa da yelkenli kullanımı
konusunda bilgi dağarcığımızı arttıracak birçok çalışma mevcut. Ikaros 2010
gibi gezegenler arası görevler içinse biraz daha beklememiz gerekiyor.
Berkan Alptekin
Geleceğin İtki Sistemleri -7- Warp Sürüşü