Füzyon Roketi için Helyum 3 Zaman Kristalleri

Bilim insanları gelecekte Uranüs’e gidecek füzyon roketlerinin kullanacağı helyum 3 nükleer yakıtını zaman kristallerine dönüştürdü. Helyum 3’ten üretilen süper sıvı özellikli zaman kristalleri rokette sürtünmeye yol açmayacak. Böylece füzyon roketlerinin aşırı ısınma sorunu olmadan ve az yakıtla ışık hızının yüzde 5’ine ulaşmasını sağlayacak. Zaman kristalleri uçan otomobil üretiminde de kullanılacak.

Saniyede 15 bin km

Füzyon roketlerinin geliştirilmesine 30 yıl var. Ancak füzyon roketleri ışık hızının yüzde 5’i, yani saniyede 15 bin km ile 2,3 gün içinde Uranüs’e ulaşabilirler. Fizikçilerin süper sıvı özellikli manyetik helyum 3 nükleer yakıtından ürettiği zaman kristalleri, buna imkan veren dünyanın ilk egzotik roket yakıtı olacak.

Zaman kristallerinin simetri kırılımı denilen süreçle, evrendeki fizik yasalarının uzayın her yerinde aynen geçerli olmasını nasıl sağladığını önceki yazıda anlattım. Bu yazıda ise size insanlığın zaman kristalleriyle çalışan nükleer füzyon roketleriyle uzaya nasıl hızla ve ucuza yayılacağını anlatacağım.

İlgili yazı: Periyodik Tabloda Keşfedecek Kaç Element Kaldı?

 

Helyum 3 ekonomisi

Yeni yazımızda çok sayıda teknik terim var: Süper sıvı, helyum 3, zaman kristalleri ve füzyon roketleri. Ancak blogu düzenli takip edenler konuya 1-0 önde başlayacaklar; çünkü füzyon roketlerinin nasıl çalıştığını Uzay Yolcuları’nda ve süper sıvının ne olduğunu da Metalik Hidrojenle Uçan Arabalar yazısında anlatıyorum.

Nükleer füzyon roketlerinde zararlı radyasyonu önlemek için neden helyum 3 yakıtı kullanacağımızı ise Ay’dan helyum 3 çıkarmayı anlatan Ay Üssü Alfa Ne Zaman yazısında okuyabilirsiniz. Hatta hızını alamayanlar da element 173 atomlarının egzotik özelliklerini kullanarak boşluktan nasıl ucuza antimadde üreteceğimize bakabilirler.

Sonuçta antimadde roketleri füzyon roketlerinden daha güçlü olacak ve ışık hızının yüzde 70’ine ulaşacak. Ancak, bugün 1 gram antimadde 62,5 trilyon dolara mal oluyor. Bu sebeple 50 yıl sonra üretilecek olan ilk antimadde roketlerinde, yine gelecekte keşfetmeyi umduğumuz element 173’ü; yani dünyanın ilk egzotik maddesini kullanacağız.

İlgili yazı: İnternetinizi Uçuracak En İyi 10 Modem

 

Neden Uranüs’e gidiyoruz?

Zaman kristalleri nedir, helyum 3 gazını nasıl zaman kristallerine dönüştürdük ve süper sıvı özellikli helyum 3 füzyon roketlerinde nükleer yakıt olarak nasıl kullanabilir sorularını birazdan yanıtlayacağız.

Öyleyse füzyon roketlerinden başlayalım ve neden Uranüs’e gitmemiz gerekiyor sorusunu yanıtlayalım: Füzyon roketlerinde kullanılacak olan helyum 3 yakıtını yakarken hemen hiç radyasyon açığa çıkmıyor. Kısacası helyum 3 dünyanın en temiz nükleer yakıtı. Bizim de Uranüs’e gidecek en hızlı roketler için helyum 3’e ihtiyacımız var.

İlgili yazı: Gerçek Adem: ilk insan ne zaman yaşadı?

 

Üstelik Uranüs’te helyum 3 var

İyi güzel de helyum 3 Dünya gezegeninde hemen hiç yok. Helyum 3 sadece Ay toprağında ve Jüpiter’le Uranüs gibi gaz devlerinin atmosferinde bulunuyor. Ancak, Jüpiter’in manyetik alanı ve radyasyon kuşağı çok güçlü. Öyle ki Jüpiter’e yolladığımız güneş enerjili Juno sondası bile şu anda radyasyondan kavruluyor ve 1 yıl sonra hurdaya çıkacak.

Öyleyse geriye uydumuz Ay ve Uranüs kalıyor. Bugün Ay toprağından helyum 3 çıkarmanın yıllık maliyeti 160 milyar dolar. Her ne kadar Ay bize yakın olsa ve robot madenciler kullanabilecek olsak da (hatta bunları Ay’a göndermek için uzay asansörü kullanacağımızı varsaysak bile) Ay’dan helyum 3 çıkarmak çok pahalı.

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

 

Ne kadar pahalı?

Şu anda Dünya’da deneysel nükleer füzyon reaktörleri var. Ancak, bu reaktörler nükleer yakıt olarak helyum 3 değil de ağır hidrojen, yani döteryum izotopu kullanıyor; çünkü Dünya’daki nükleer reaktörlerde yeterince helyum 3 üretemiyoruz. Kömür madenlerinden de yeterli miktarda helyum 3 çıkaramıyoruz.

Gerçi nükleer silahlar için hidrojenin 2 nötronlu trityum izotopunu üreten nükleer reaktörlerde helyum 3 de üretebiliyoruz. Ancak, Dünya’da yeni nükleer bomba üretimi durduğu için helyum 3 üretimi de durmuş bulunuyor. Zaten yapay üretim ticari olamayacak kadar pahalı bir süreç.

Ancak bir de arz talep meselesi var. Helyum 3’ün ana müşterisi nükleer füzyon reaktörleri olacak. Bu deneysel teknoloji yaygınlaşmadan önce helyum 3 üretimini artırmak için gerçekçi bir talep olmayacak.

Nitekim 2040’ta planlanandan daha çok sayıda nükleer füzyon reaktörü hizmete girmiş ve bunların tümü de helyum 3 kullanıyor olsa bile, bu reaktörler dünyanın enerji ihtiyacının sadece yüzde 10’unu karşılayabilecek. Daha gerçekçi ama yine de iyimser bir tahminle, nükleer füzyon 2040 yılında dünya enerji tüketiminin sadece yüzde 1’ni karşılayacak.

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

 

Kısacası helyum 3’e talep yok

Talep olmayınca arz da yok ve dolayısıyla helyum 3 için Ay’a gitmeye de gerek yok. Harvard Üniversitesi’nin raporuna göre¹, 2040 yılında dünya helyum 3 ihtiyacı yılda sadece 20 ton olacak.

Biz de Ay toprağı regoliti oluşturan her milyar atomun içinde 20 atomun helyum 3 olduğunu varsayarsak (20 ppb), Ay’daki robotların dünyanın yıllık ihtiyacını karşılamak için saniyede 63 ton (!!) regolit kazması gerektiğini görüyoruz.

Bunun için Ay’a 1700 ila 2000 robot inşaat kamyonu göndereceğiz. Bırakın bu kadar robotu Ay’a göndermeyi, bakım-onarım ve yakıt masraflarını; Ay’daki madencilik operasyonu için yılda 39 gigawatt saat enerji kullanmamız gerekecek (bu da Tesla elektrikli otomobil pil fabrikasının yıllık pil üretim ve depolama kapasitesinden 4 gigawatt saat daha fazla enerji tüketmek anlamına geliyor).

İlgili yazı: Gezegenler Güneş Çevresinde Nasıl Dönüyor?

 

Helyum 3 lojistiği

Bunum için Ay’da zaten en az 60 bin-200 bin ton ağırlığında olan Akkuyu benzeri bir nükleer güç santrali kuracağız. Ay’a iniş yapmak ve Ay’dan kalkmak için 3 uzay gemisi gerekecek. Dünya ile Ay arasında da kargo taşımacılığı için sürekli olarak 22 roket gidip gelecek. Elbette bütün bunların yıllık masrafı olacak.

Bu sebeple Dünya’daki füzyon reaktörlerinin üreteceği elektriğin fiyatı (yıllık gezegen tüketiminin yüzde 1’ini füzyonla karşılarsak) 3,04 euro kilowatt saat olacak (oysa Türkiye’de konutlar için vergiler dahil bu fiyat 46,12 kuruş²).

Bu durumda Ay’dan helyum 3 çıkararak Dünya’da nükleer füzyon yakıtı olarak kullanmanın maliyeti de (reaktörlerin yatırım ve inşaat maliyeti hariç) 45,6 ila 140,3 milyar euro arasında değişecek. Bu durumda Avrupa Birliği şirketleri yılda 78 milyar dolar euro zarar veya 23,1 milyar avro kâr edecekler (Buna Ay’a robot gönderme teknolojilerini geliştirmek için gereken 10 milyar dolarlık ön yatırım dahil değil).

İlgili yazı: Mobil İnternette Video İzleme Rehberi

 

Özetle Ay’ı unutun, Uranüs’e bakın

Helyum 3’ü zaman kristallerine dönüştürüp füzyon roketlerinde egzotik nükleer yakıt olarak kullanmak ve böylece Plüton’a 9 yıl yerine sadece 4,5 günde gitmek istiyorsak bunu Uranüs atmosferinden çıkarmamız lazım. Neden derseniz:

• Uranüs’ün Jüpiter gibi ölümcül radyasyon kuşağı yok.
• Uranüs’ün yerçekimi Jüpiter’den zayıf. Bu yüzden Uranüs yörüngesine girmek ve çıkmak için az yakıt yeterli oluyor, yani yolculuk masrafları azalıyor.
• Uranüs atmosferini kazmaya gerek yok. Robot gemiler gönderip atmosferi balonlarla hortumlayarak helyum 3 çekmek ve gazı yakıt tanklarına doldurup Dünya’ya getirmek kolay.
• Bunun için gereken robotları Dünya’da 3D printerla basabiliriz.
• Robotlar Uranüs’ten çıkartılan helyum 3’ü dönüş yolunda nükleer yakıt olarak kullanabilirler; yani dönüş yakıtını Uranüs’e götürmeye de gerek yok.

İşte bütün bu nedenlerden dolayı Uranüs’ten helyum 3 çıkarmak çok daha ucuz ve kolay olabilir. Tabii Hellion Technologies gibi nükleer füzyon şirketleri, Dünya’da ucuza helyum 3 üretmenin bir yolunu bulmazlarsa.

Gerçi Hellion 2019 yılında tıra sığacak kadar küçük bir mobil füzyon reaktörü geliştireceğini duyurmuştu. Bugün çok düşük bir olasılık; ama başarırsa enerji sektöründe devrim olur. Neyse ki alternatif olarak uzaydan Helyum 3 getirebiliriz. Şimdilik bu seçenek yapay üretimden ucuz görünüyor.

Uranüs’ten Helyum 3 çıkarma: 360° video

İlgili yazı: İnternette teknik takip ve gözetimi önleme rehberi

 

Asteroit madenciliği

Asteroitten uzay gemisi olur mu yazısında, insanlığın Dünya’da tükenen doğal kaynakları asteroit madenciliği yaparak uzaydaki kayalardan karşılayacağını anlattım.

Buna karşın Dünya ile Mars arasında ve bizden maksimum 20 milyon km uzakta kolay erişebileceğimiz asteroitler bulunuyor. Biz de klasik roketlerle 2 aylık kısa mesafede bulunan bu yakın asteroitleri, helyum 3 madenciliği yapacak robotların üretiminde kullanabiliriz.

Böylece bütün robotları Dünya’da 3D printerla basıp uzaya göndermemize gerek kalmaz. Birkaç öncü robot basarız ve bunları aynı zamanda uzay asansörü olarak çalışan bir uzay gökdeleni inşa etmeye bile gerek kalmadan roketlerle uzaya gönderebiliriz. Elon Musk’ın SpaceX şirketinin yeniden kullanılabilen Falcon Heavy roketi bize yardım eder.

Sonra robotlar Dünya’ya yakın asteroitlere gider, asteroitleri kazar ve 3D printerlarda Uranüs’e gidecek olan helyum 3 çıkarma robotlarını basar. İşte o zaman hem füzyon roketleri için hem de Dünya’nın temiz enerji ihtiyacını karşılamak için Uranüs’ten ucuza helyum 3 çıkarmaya başlarız.

İlgili yazı: Kontrollü Güç >> Telefon pil ömrünü uzatmak için en pratik 5 yöntem

 

Peki ya zaman kristalleri?

Helyum 3’ten zaman kristali ürettiğimiz zaman, bu zaman kristalleri süper sıvı özelliğine sahip olacak. Kısacası nükleer füzyonda yakılacak helyum 3 gazı, reaktörün yanma odasında hiç sürtünmeden sıvı gibi akacak.

• 1) Böylece helyum 3 plazması aşırı ısınmayacak ve plazmayı kontrol altında tutarak az enerji harcayıp çok enerji üretmek mümkün olacak.
• 2) Dahası, plazma reaktörün iç duvarlarına sürtünmeyeceği için reaktörü de yıpratmayacak. Reaktörün delinmesi ve radyasyon sızıntısı riski çok azalacak.
• 3) Ayrıca helyum 3 hemen hiç radyasyon üretmediği için küçük ve güvenli reaktörler üreterek bunları füzyon roketlerine yerleştirebileceğiz.
• 4) Böylece roketler hafif olacak, reaktör az yer kaplayacak ve insanların uzay gemisinin içinde kaçacak yeri olmadığı için incecik bir radyasyon kalkanıyla astronotları nükleer sızıntıdan korumak çok kolay olacak.

İlgili yazı: Dört Boyutlu Madde Bulundu: ZamanKristalleri

 

Uzayda insanlı yolculuk süresi

Tamam, artık helyum 3 kullanan nükleer füzyon roketleriyle Güneş Sistemi’nin en uzak köşelerine iki haftada erişebileceğimizi gördük.

Ancak, füzyon roketleri sadece Uranüs ve ötesine gitmek için ışık hızının yüzde 5’ne çıkacak; çünkü Mars’a o kadar hızlı giderlerse uzayda fren yapıp Mars yörüngesine girmeye vakit kalmaz. Ayrıca sert fren yapan roketler parçalanır.

Buna ek olarak insan hayatını da düşünmemiz lazım: Örneğin Jules Verne’in Ay’a Yolculuk romanında, insanları Ay’a göndermek için bir kapsül yapıyor ve bu kapsülü uzay topuyla Ay’a mermi gibi fırlatıyorduk.

Oysa uzay topuyla Ay’a gitmek üzere Dünya’nın yerçekiminden kaçmak için 20 bin g, yani yerçekiminin 20 bin katıyla hızlanmanız gerekiyor. Bu da insan vücudunu hücre düzeyinde parçalar. Dolayısıyla astronotların Mars’a gitmesi için başlangıçtaki hızlanmayı 3 g ile sınırlamalı, sonra da hızlanmayı 1 g düzeyine çekmeliyiz.

İlgili yazı: Metalik Hidrojen ile Uçan Araba Çağı

 

Yapay yerçekimi

Uzay Gemisi Atılgan Ne Zaman yazısında anlattığım gibi, insanlı füzyon roketleri Mars’la Satürn arasında en fazla ışık hızının yüzde 1’ine ulaşacaklar. Bunu da yavaşça hızlanarak yapacaklar. Ayrıca, astronotların ezilmesini önlemek için yolun yarısında ters dönecek ve roketlerini ters yönde ateşleyerek yavaş yavaş fren yapacaklar. Böylece Mars yörüngesine kontrollü bir şekilde girecekler.

Kısacası insanların Uranüs’e gitmesi en az 7-8 gün sürecek. Yine de 3D printerla uzayda kendi kendine üreyen robot helyum 3 madencileri basarsak bunlar insan olmadıkları için daha hızlı gidebilecekler.

Böylece 2 günde Uranüs’e giderek maksimum 10 günde Dünya’ya geri dönmüş olacaklar. Bu durumda Dünya’daki nükleer füzyon reaktörlerini Uranüs gazıyla beslemek, Aşk Gemisiyle turistik Akdeniz turuna çıkmak kadar kolay olacak.

İlgili yazı: 180 Resimde Varoluşun Kısa Tarihi

 

Tabii zaman kristalleri sayesinde

Gerçi size anlattığım bu senaryonun gerçekleşmesine 40 yıl var. 40 yıl sonra gerçekleşmesi için de helyum 3 gazına sürtünmesiz süper sıvı özelliğini kazandıracak olan zaman kristallerine ihtiyacımız var.

Nasıl ki süperiletkenler elektriği direnç göstermeden ileterek şebekede elektrik kaybını azaltıyor ve manyetik alanlar üzerinde giden uçan arabalara izin veriyor, süper sıvılar da nükleer füzyon reaktörlerinin içinde hiç sürtünmeden akıyor.

Böylece 100 milyon derece sıcaklıktaki plazmayı manyetik alanlarla reaktörün içine hapsetmek mümkün oluyor. Daha doğrusu zaman kristalleri ile mümkün olacak. Nitekim Finlandiya Aalto Üniversitesi’nden Profesör Grigori Volovik ve meslektaşları, helyum 3’ten zaman kristalleri üretmeyi başardılar.³

İlgili yazı: Asteroitten Uzay Gemisi Olur mu?

 

Peki zaman kristalleri nedir?

Bazen bir makale o kadar çok havalı terim içeriyor ki o bilimsel makaleyi ciddiye almak zorlaşıyor. Bu bağlamda en karmaşık konulardan biri olan zaman kristali kavramı da 2012 yılında ortaya atıldı; ama zaman kristalleri daha geçen yıl gözlemlendi.

Zaman kristalleri gerçekten çok garip bir terim; çünkü bizim bildiğimiz kristaller kuvars gibi maddelerden oluşuyor. Zaman ise madde değil, belki enerji bile değil. Doğrusu zamanın ne olduğunu ve neden geleceğe aktığını fizikçiler de bilmiyor. Bu da zaman kristallerini gözümüzde canlandırmayı zorlaştırıyor.

Elbette evren insanlar tarafından anlaşılmak zorunda değil; ama bu, zaman kristallerini anlatmak için günlük hayattan örnek vermemizi engellemiyor. Öyleyse sıradan kristalleri anlatarak başlayalım.

İlgili yazı: Asteroitten Sarkan Uzay Gökdeleni Analemma

 

En basit kristaller

Doğadaki kristaller, belirli bir hacmi hiç boşluk bırakmadan dolduran ve düzenli olarak tekrarlanan şekillerden oluşuyor. Örneğin, küp şeklindeki bir kristali oluşturan atomlar bu şekilde ve düzenli aralıklarla diziliyor.

Tabii burada boşluk kalmıyor derken kristallerin ve kuazi-kristallerin kesintisiz bir yapı oluşturduğunu söylüyoruz. Kristali oluşturan temel şekiller arasında başka şekiller ve boşluklar bulunmuyor demek istiyoruz. Yoksa kristali oluşturan bütün atomların arasında boşluklar var; ama bu boşluklar periyodik (düzenli) aralıklarla tekrarlanıyor.

Örneğin bir küpün bütün yüzeylerini eşit sayede kareye bölebilirsiniz; ama eşit sayıda dikdörtgene bölemezsiniz. Dolayısıyla kristal yapıları dönüşümsel bakışım (translational symmetry) özelliğine sahipler. Neyse ki buna da günlük hayattan örnek verebiliriz.

Mesela Twitter’ın simgesi olan Twitter kuşunu ve hızla değer kaybetmekte olan 1 TL bozuk parayı alın. Sonra bunları ters çevirin. Twitter kuşu sağa değil de sola baktığı zaman şekil değiştirmez. Bozuk parayı da ters yüz ederseniz şekil değiştirmez. İşte buna dönüşümsel bakışım diyoruz.

İlgili yazı: Uzaya Merdiven Dayadık >> 2035’te Dünya yörüngesine uzay asansörü ile çıkacağız

 

Kuazi-kristaller

Kuazi-kristalleri (kristalimsi yapılar) oluşturan şekiller de arada boşluk bırakmadan diziliyor. Ancak, bu diziliş her sırada ve sütunda aynı şekilde tekrarlanmıyor. Örneğin çikolatalı gofreti düşünün. Bu gofretin birinci katmanı tekrarlanan dikdörtgenler, ikinci katmanı kareler, üçüncü katmanı da üçgenler vb. içersin.

Şimdi bir kuazi-kristalin bu tür yan yana ve alt alta dizilmiş gofretlerden oluştuğunu düşünün. Ancak bu gofretler rastgele dizilmiş olsun.

Öyle ki gofretlerin üçüncü katı üçgen değil de kareden veya farklı şekillerden oluşsun. Dahası bu gofretler uzayda keyfi şekilde dizilerek yepyeni bir kristal oluştursun. İşte bu yapı bir kuazi-kristaldir; yani bu kristali ters çevirirseniz dönüşümsel simetri elde edemezsiniz.

İlgili yazı: Uzay Yolcuları Filmi Ne Kadar Gerçekçi?

 

Zaman kristaliyle ne ilgisi var?

Birazdan helyum 3’ten üretilen zaman kristallerinin, bu tür gofretler gibi rastgele ve iç içe yapılardan oluştuğunu göreceğiz. Bu yüzden normal kristal ile kuazi-kristal arasındaki farkı açıkladık ve artık uzayın yerine zamanı koyarak doğrudan zaman kristallerini açıklamaya geçebiliriz.

Bu kez atomların uzayda dizilişini dikkate almayın. Bunun yerine uzayda düzenli şekilde titrediklerini, dalgalandıklarını ve hareket ettiklerini düşünün. Tıpkı kuvars kristalindeki atomların titreşimlerini izleyerek zamanın akışını ölçen Casio elektronik saatler gibi (çocukluğumun saatleri).

Öyleyse zaman kristallerini anlamak için ilk yapmamız gereken şey; bunları kutu, küre, prizma gibi şekiller olarak değil de tekrarlanan hareketler, salınımlar, frekanslar ve periyotlar olarak düşünmektir. İşte bu yüzden doğru şekilde titreyen bütün cisimlerden zaman kristali üretebiliriz.

Buna helyum 3 dahil

Eğer helyum 3 atomlarını alır ve bunların sarkaç gibi sallanmasını sağlarsak helyum 3 de zaman kristaline dönüşmüş olur. Elbette burada kuantum kimyadan söz ediyoruz. Dolayısıyla helyum 3’ten zaman kristali üretmek, daha doğrusu helyum 3 atomlarının zaman kristali olarak davranmasını sağlamak o kadar kolay değil. Bunu basitleştirerek anlatıyoruz.

İlgili yazı: Lazer Yelkeni Starshot >> Stephen Hawkıng Yıldızlara Işık Gücüyle Uzay Gemisi Gönderecek

 

Yine de sarkaç örneği çok önemli

Bakın neden: Diyelim ki tavandan sarkan bir sarkaçtan zaman kristali üreteceğim. Bildiğiniz gibi sarkacı nereden havaya bırakırsanız oradan karşıya doğru sallanır ve tam başladığı yere geri döner. Bu yüzden sarkacı bıraktığınız noktadan ileri gitmezseniz sarkacın topu da geri dönerken asla burnunuza çarpmaz.

Şimdi, bütün sarkaçların doğal bir salınım frekansı var. Böylece siz de sarkacı belirli aralıklarla ileri-gidecek şekilde sallayabilirsiniz. Nitekim müzik ritimlerini bulmakta kullanılan metronom da bu şekilde çalışıyor. Keza aynı sarkacın iki kat hızlı olarak sallanmasını da sağlayabilirsiniz. Nitekim bu tür frekans değişiklikleri sarkaçlı saatlerde saniye, dakika ve saat aralıklarını tutmakta kullanılıyor.

Buna karşın bir sarkacı arka arkaya iki kez itersem o sarkaç düzenli sallanmaz. Hatta kontrolden çıkıp yüzüme çarpabilir.

Kısacası bir sarkacın iki hat hızlı salınmasını istiyorsam ilk salınım frekansının tam sayı katlarını almam lazım; yani sarkaç sallanmaya başladıktan sonra bana geri geldiğinde, onu (örneğin) iki kat daha güçlü şekilde itmem lazım. Çocuğunuzu salıncakta işte böyle sallıyorsunuz.

Kuazi-zaman kristallerinde durum farklı

Eğer sarkaç bir kuazi-zaman kristali olsaydı kesinlikle az önce anlattığımız gibi davranmayacaktı. Öyle ki sarkacı ikinci kez ittiğim zaman; sarkaç doğal frekansının katları olarak değil de ondalık katları, kesirli katları gibi farklı frekanslarda sallanmaya başlayacaktı. Dahası bunun benim sarkacı itme gücümle doğrudan ilişkisi olmayacaktı. Bu da maddeden oluşan sıradan kuazi-kristallere benziyor.

İlgili yazı: 5 Adımda Başka Yıldızlara Nasıl Gideriz?

 

Helyum 3 kuazi-zaman kristalleri

Bunun da helyum 3’ün nükleer reaktörde süper sıvı olarak davranması ve sürtünmeye bağlı aşırı ısınmayı önleyerek reaktörün enerji verimliliğini artırmasıyla çok alakası var. Sonuç olarak kuazi-zaman kristali haline giren atomlar aynı anda birden farklı frekansta sanıyorlar.

Bunu lastik ip gibi düşünebilirsiniz: Lastik ipin sağ tarafının saniyede 3 kez ve sol tarafının dakikada 3,2 kez dalgalandığını düşünün. Dahası bu dalgaların hızlanıp yavaşlayarak iki uç arasında düzensiz aralıklarla gidip geldiğini hayal edin.

Böyle bir şey gerçek lastik ipte imkansız olabilir; ama atomlar kuantum dünyasındaki Heisenberg’in belirsizlik ilkesine tabiler.

Kısacası atomlar birbiriyle dolanıklığa girebilirler ve dış dünya ile hiçbir fiziksel etkileşime girmedikleri zaman da süperpozisyon durumuna geçerler. Süperpozisyon halindeki atomlar, aynı anda iki farklı kuantum durumunda bulunurlar. Örneğin aynı anda hem sağa, hem sola dönebilirler.

Sicim teorisi

Aslında sicim teorisinde evren tek boyutlu enerji sicimlerinden oluşuyor. Peki bunlar da zaman kristali gibi titreşebilir mi ve titreşiyorsa biz de bu özelliği kullanarak, tüm evreni tek denklemle açıklayan bir kuantum kütleçekim kuramı geliştirebilir miyiz? Gelecek yazı için not düşerek konuya devam edelim.

İlgili yazı: NASA Mars’a nükleer roket teknolojisiyle gidecek

 

Süperpozisyonu aklınızda tutun

Buna yazının sonunda geri geleceğiz; ama kuazi-zaman kristalleriyle devam edecek olursak: Finlandiya’daki Aalto Üniversitesi’nden Profesör Grigori Volovik ve ekibi, helyum 3 atomlarını özel bir şekilde titreştirerek hem zaman kristalleri hem de kuazi-zaman kristalleri ürettiler.

Şimdi, helyum 3 aslında bir nötronu eksik olan normal helyum 4 izotopudur. Volovik, bir grup helyum 3 atomu aldı ve bu küçük gaz bulutunu neredeyse mutlak sıfıra kadar soğuttu. Böylece atomları önce süperpozisyon haline ve sonra da kuantum dolanıklığa soktu.

Böylece bir Bose-Einstein yoğuşması elde etti; yani gözle görülecek kadar büyük helyum 3 bulutunun, tıpkı mikroskobik bir atom veya kuantum parçacığı davranmasını sağladı. Kısacası normalde sadece kuantum dünyasında görülen garip olayları gözle görülür dünyaya taşımış oldu.

İlgili yazı: Almanya’dan Nükleer Füzyon Atağı

Manyetik helyum 3

Araştırmacıların normal helyum yerine bir nötronu eksik olan helyum 3 kullanmalarının çok özel bir nedeni var:

Bu izotopun çekirdeğinde iki proton ve iki nötron yerine, iki proton ve bir nötron bulunuyor (Pozitif yüklü protonlara karşılık olarak, elektrik yükü sıfır olan sadece bir adet nötron bulunuyor). Bu dengesizlik de helyum 3’ün güçlü bir manyetik alana sahip olmasını sağlıyor.

Zaten helyum 3 atomlarının, sıcak gazları güçlü bir manyetik alan içine hapsederek ısıtan ve böylece büyük miktarda enerji üreten tokamak nükleer füzyon reaktörleriyle uyumlu olmasının sebebi de bu: Helyum 3 atomları, döteryum yakan günümüzdeki deneysel reaktörlere göre çok daha uslu davranıyor ve manyetik alan kontrolünden çıkıp yanma odasının duvarlarına çarparak reaktöre zarar vermiyor.

Sonuç olarak

Bose-Einstein yoğuşmasındaki bir helyum 3 atomunun manyetik kutbunu belirli bir yöne bakacak şekilde düzenlerseniz dolanıklık sebebiyle oldukça ilginç bir sonuç elde edersiniz. Bu durumda süper soğuk gaz bulutundaki diğer atomlar da hemen aynı yöne bakacaktır. Fizikte bir gazın bütün atomlarının aynı manyetik yöne bakmasına magnon durumu diyoruz ki bu da bir kuazi-kristaldir.

İlgili yazı: Amerika Mobil Füzyon Reaktörü Geliştiriyor

 

Gelelim kuazi-zaman kristaline

Fizikçiler sadece bir mangon yaratmadılar. Bir de bunun güçlü manyetik alan içinde tek yönde (saat yönü veya tersi) yavaş yavaş dönmesini sağladılar.

Dahası magnona radyo dalgaları gönderdiler. Böylece magnon aynı anda hem manyetik alan frekansında, hem de bunun tam sayı çarpanı veya böleni olmayan rastgele radyo dalgası frekanslarında dönmeye başladı. Böylece kuazi-zaman kristali oluştu (fizikçiler kuazi-kristal özelliğini yaratmak için radyo frekanslarını rastgele değiştirdiler).

Ancak, Volovik radyo dalgalarını kestiği zaman bu dengesizlik de kalktı ve helyum 3 bulutu sadece manyetik alana bağlı olarak kendi çevresinde periyodik şekilde dönmeye başladı. Böylece gerçek bir zaman kristali oluştu.

İlgili yazı: Evren 4 Boyutlu Bir Kara Delik mi?

 

Sonsuz zaman kristali yok

Bu başlıktan kastımız, helyum 3’ten üretilen zaman kristalinin kısa ömürlü olmasıdır. Sonuçta helyum 3 atomları manyetik alanın içinde salınırken termodinamik yasaları gereği enerji kaybediyor. Bu da belirsizlik ilkesi gereğince bazı atomların manyetik yönünün aniden değişmesine yol açıyor.

Bu atomlar da manyetik alanla uyumsuz oldukları için hemen Bose-Einstein bulutunun dışına çıkıyorlar. Böylece helyum 3 gazının zaman kristali özelliği yavaş yavaş azalıyor ve bir süre sonra tümüyle ortadan kalkıyor.

İlgili yazı: Kuantum Tünelleme ile Işıktan Hızlı İletişim Mümkün mü?

 

Süper sıvı helyum 3

Süper sıvı halindeki manyetik helyum 3 konusuna devam etmeden önce şunu belirtmekte fayda var: Helyum 3’ün salınım, frekans, dönme yönü ve hareketlerinin manyetik alanlar ya da radyo dalgalarıyla kontrol edilmesi; helyum 3’ün nükleer reaktörlerde çok kolay kullanılacağı anlamına geliyor.

Kısacası helyum 3’e daha uzun süreler için zaman kristali özelliği kazandırırsak bu yakıtı çok daha verimli yakarız, daha yüksek enerji üretiriz ve füzyon roketlerinin menzilini de artırmış oluruz. Gelecekte helyum 3 çıkarmak için ta Uranüs’e gitmemiz gerekeceğine göre, zaman kristalleri işimizi kolaylaştırır.

İlgili yazı: Stephen Hawking Evren Sonsuz Değil Dedi

 

Sürtünmesiz gaz

Yazının başından beri insanlığı uzaya taşıyacak olan nükleer füzyon roketlerinin sürtünmesiz nükleer yakıtla çalışması gerektiğini anlatıyoruz. Böylece yakıt bitene kadar daha uzağa gidebilirler. Şimdi helyum 3’ün nasıl çifte süper sıvıya dönüştüğünü görelim.

• A) Helyum 3 mutlak sıfıra yaklaştığı zaman, tıpkı yüksek basınç altında oluşan metalik hidrojen gibi, topolojik süper sıvıya dönüşüyor: Topolojik süper sıvılar sadece sürtünmesiz olmakla kalmıyor, aynı zamanda dengesiz olarak dalgalanıyor; yani sıvı akışı simetrik olmadığı için akıntıda topolojik defolar oluşuyor. Bu tür sıvılar ortama kolay uyum sağlayarak sokak simidi gibi burgulu yanma odalarında daha kolay akıyor.
• B) Çifte süper sıvı özelliğinin ikinci bileşenine gelince: Helyum 3 atomlarının manyetik olarak aynı yöne baktığını; yani bütün atom spinlerinin aynı yöne baktığını hatırlayın (magnon durumu). Ancak, Helyum 3’teki spinlerin toplamı 0’a eşit olmuyor. Bu da şimdilik açıklamaya gerek olmayan bazı sebeplerle Helyum 3 atomlarının bu spinlerin açısal momentumunu korumasını gerektiriyor.

Peki bu ne anlama geliyor?

Bu durum, süper soğuk helyum 3 gazının hem mekanik süper sıvı hem de manyetik süper sıvı olarak davranmasını sağlıyor. Kısacası helyum 3 atomlarının manyetik yönünü toplu halde değiştirmeye kalktığınız zaman ilginç bir şey oluyor ve yeni spin yönü, helyum gazına süper sıvı özellikli manyetik dalgalar halinde; yani yüzde 100 akışkan olarak yayılıyor.

İlgili yazı: Uzayda Dördüncü Boyut Var mı?

 

Böylece sürtünme ortadan kalkıyor

Bu durumdaki helyum 3 gazı nükleer füzyon roketinin içinde 1) Mekanik sürtünme yoluyla ısınarak enerji kaybetmez ve 2) Manyetik alanının içinde hızla hareket ederken, Heisenberg’in belirsizlik ilkesi sebebiyle fazla enerji kaybetmez.

Dolayısıyla helyum 3 plazması, yanma odasını koruyan manyetik alanı delerek motora zarar vermez ve nükleer reaksiyonu sonlandırmaz (Zaten bugünkü deneysel reaktörlerin çalışmamasının en büyük sebebi bu).

Böylece füzyon roketini çalıştırmak için daha az enerji harcarız ve yakıt tüketimini de azaltarak Uranüs’e kısa sürede ulaşırız. Üstelik bu sırada motoru hemen hiç kapatmadan çalıştırabiliriz.

Ancak magnon hali de bir zaman kristalidir

Bu sırada helyum 3’ün magnon halinde olduğunu; yani aynı zamanda bir zaman kristali olarak davrandığını unutmayalım. Yalnız ilginç bir durum var: Bütün kristaller tanım olarak katı cisimlerdir. Bu durumda süper soğuk helyum 3 magnonu da süper katı zaman kristalleri üretebilecektir!

İlgili yazı: Hiperküp: Evren Neden Üç Boyutlu?

 

Süper katı zaman kristali nedir?

Dikkat edecek olursanız yukarıdaki 2. maddede Helyum 3 gazı fazla enerji kaybetmez dedik. Oysa süper katı zaman kristalleri de normal zaman kristallerinin süper sıvı gibi davranan ve sürtünmeye yol açmayan bir versiyonudur.

Kısacası zaman kristali olarak salınım yapan helyum 3 atomları titrerken çok az enerji kaybedecektir. Bu da termodinamik yasalarına bağlı ısı kaybını azaltarak zaman kristallerinin ömrünü uzatacaktır.  Dolayısıyla çifte süper sıvı özelliğine ve süper katı zaman kristali özelliğine sahip olan manyetik helyum 3 gazı dünyanın en verimli yakıtı olacaktır.

Biz de helyum 3’e yukarıdaki egzotik özellikleri kazandırabilirsek Uranüs’ten getireceğimiz bu yakıtı geleceğin füzyon roketlerinde başarıyla kullanabiliriz. Böylece uzay yolculuklarını ucuzlatarak Mars’a sadece 20 yıl içinde yerleşebiliriz.

İlgili yazı: Fizikçiler Karanlık Madde Süper Sıvı Olabilir Dedi

 

Yayılım

Ayrıca Netflix Türkiye’de ikinci sezonu yayınlanmakta olan Expanse (Yayılım) bilimkurgu dizisindeki uzay gemilerini hatırlatalım:

Bunlar Epstein sürücüsü denilen özel bir nükleer füzyon roketi kullanıyor ve bu roket, daha önce anlattığım VASIMR plazma roketlerinin füzyon reaktörleriyle birleştirilmiş haline benziyor.

Öyle ki Epstein motorları, nükleer yakıtı önce VASIMR plazma roketleri gibi radyo dalgalarıyla ısıtıyor, sonra da füzyon roketi gibi manyetik alanların içinde sıkıştırarak yakıyor. Bu iki teknik, zaman kristali üretim yöntemleri bölümünde anlattığımız manyetik alan ve radyo dalgalarına karşılık geliyor.

Yakıt tasarrufu ve uzun menzil

Bu durumda helyum 3’ten uzun ömürlü zaman kristalleri üretebilirsek Expanse dizisinde az yakıt yakarak çok uzağa giden Epstein motorlarını üretecek teknolojiyi de geliştirebiliriz (Uzay Yolu filmlerinde Epstein motoruna benzeyen bir sistem var ve buna içtepi (impulse) sürücüsü diyoruz).

İlgili yazı: Vücudunuzun Yarısı Başka Galaksiden Geliyor

 

Daha ne isteriz?

Aslında ışığı sıra dışı açılarda büken fotonik kristallerin zaman kristali gibi titremesini sağlarsak çok iyi olur. Bu sayede kuantum verisini internette uzak mesafelere bozulmadan aktaran ve önemli verileri uzun yıllar saklayan, laptop boyunda optik kuantum bilgisayarlar üretebiliriz. Kuantum bilgisayarlar da kuantum internetle birleşerek yepyeni bir kuantum blockchain ekonomisi kurabilirler.

Buna kuantum yapay zekayı eklersek teknolojik tekilliğin 25 yıl içinde gelmesini sağlarız. Öyle ki insan türü de kökten dijital dönüşüm geçirerek “insan sonrası dönem” tabir edilen aşkın insan çağına girebilir. Aşkın insan derken, Christopher Nolan’ın Interstellar filmini de düşünüyorum:

Filmin sonunda kara deliğin içindeki 4 boyutlu hiperküpün içine giren kahramanız, evrenin geçmişini dolaylı olarak etkileyebiliyordu. Bu durumda kara deliğin içindeki hiperküp de sonsuza dek kendini tekrar eden bir fraktal zaman kristali olabilir mi? (Sonuçta dört uzay boyutlu fraktal zaman kristalleri, kapalı zaman döngüsü yaratarak geçmişi kısmen etkilememize izin verebilir).

Bitirirken

Her halükarda hafta sonu bu kadar uçmak istemiyorsanız size daha somut bir bilgi verebilirim: Uranüs atmosferinden helyum 3 çıkarmak sizi şaşırtmasın; çünkü insan vücudunu oluşturan atomların yarısı da başka galaksiden geliyor. Einstein’ın dediği gibi uzay-zaman bölünmez bir bütündür.

Zaman kristalleri

¹Feasibility of lunar helyum 3 mining
²Ulusal elektrik fiyatları 2018
³Observation of a Time Quasicrystal and Its Transition to a Superfluid Time Crystal