VASIMR roketi ile Mars’a 40 Günde Nasıl Gideriz?

Elon Musk’ın SpaceX şirketinin Yıldız Gemisi ile astronotlar 2030’larda Mars’a iniş yapacaklar ve bu harika olacak! Oysa bugünün roketleriyle Mars’a gitmek, o da kızıl gezegen bize en yakın konumda olduğu iken 6-7 ay sürüyor; ancak VASIMR roketi ile insanlı yolculukların süresini 40 güne ve insansız seferleri de yalnızca 30 güne indirmek mümkün olacak. Peki VASIMR plazma motoru nedir? Ne zaman kullanıma girecek ve neden Yıldız Gemisi, Mars’a gitmek için VASIMR yerine doğal gaz kullanacak? Yakın geleceğin en güçlü derin uzay motorunu artıları ve eksileriyle görelim.

VASIMR roketi nedir?

VASIMR motoru uzay araçlarını plazma jetiyle itiyor. Açılımı Değişken Özgül İtki Manyetik Plazma Roketi olan VASIMR 1970’lerde çıkan bir fikir ama mühendisler 2015’e dek bu konuda ilerleme kaydedemediler. 2015’te NASA, Ad Astra (Yıldızlara Doğru) şirketine ABD’nin NextSTEP (gelecek adım) uzay programı kapsamında kullanışlı bir VASIMR roketi geliştirme talimatı verdi.

VASIMR bir tür elektrikli itiş sistemiyle çalışıyor ve bildik kimyasal roketlerden çok daha verimli bir seçenek sunuyor (Verimli derken uzayda az yakıtla daha hızlı ve uzun süre gitmeyi kast ediyoruz). Yine de Yer’den uzaya çıkmak için sıvı hidrojen, katı yakıt veya gaz yağı (kerosen) kullanan kimyasal roketlere ihtiyacınız var; çünkü yakıtı kısa sürede bitse de en güçlü roket motoru bunlar:

SpaceX Yıldız Gemisi’ni Mars’a taşıyacak Super Heavy gibi kimyasal roketlerle 130 tonu aşan yararlı yükü Alçak Yer Yörüngesine (LEO, 160-2000 km) çıkarmak mümkündür. Oysa bunun için yüzlerce ton yakıt yakmanız ve onlarca ton sıvı oksijen kullanmanız gerekir (uzayda hava yok). Bu yüzden roketler çok güçlü ama pahalıdır ve nefesi kısa sürede kesilir.

VASIMR gibi plazma motorları o kadar güçlü değil ve yavaş hızlanır. Özellikle de atmosferik sürtünmenin hızı kesmesini dikkate alırsak VASIMR’le bir akıllı telefonu bile uzaya fırlatmak mümkün değildir ama uzayda hava yok. Kimyasal roketler uzayda en çok 6 dakika çalışırken VASIMR yavaş ama kesintisiz hızlanmayla 6 ay çalışabilecektir! Bu da en azından insansız araçları bırakın 2 ayda Mars’a gitmeyi, 800 milyon km uzaktaki Jüpiter’e gönderebileceğimiz anlamına geliyor. VASIMR plazma roketinin sunduğu potansiyel budur. Peki nasıl çalışıyor?

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

 

VASIMR roketini tanıyalım

Kimyasal roketle uzaya çıktıktan sonra ister ışıkla çalışan güneş yelkeni olsun, ister iyon motoru roketinizi türlü teknolojiyle itebilirsiniz. Hangi motoru kullanacağız insanlı/insansız uçuşlar gibi ne tür seferler planladığınıza bağlıdır; çünkü uzayda hava sürtünmesi ve yerçekimi yoktur: Roketi 5 dakika hızlandırsanız bile yıldız geminiz hedef gezegene hiç yavaşlamadan gider.

VASIMR roketiyle ise aracınızı 6 ay durmadan hızlandırarak ortalama 4,5 milyar km ile Güneş’e en uzak gezegen olan Neptün’e bile 1 yılda uzay sondası gönderebilirsiniz. Oysa Mars’a insan göndermek için kullanımdaki biricik teknoloji kimyasal roketlerdir. İnsanlı Mars uçuşları için 100 ton yük taşımamız gerekiyor. Bu da Mars’a önce yük gemileri, sonra insanlı gemi göndermek demek. Mars’ın 2 yılda bir Dünya’ya yaklaştığını düşünürsek bu, tonlarca yakıt gerektiren uzun ve pahalı bir süreçtir. VASIMR ile uzay gemilerini daha sık, hızlı ve ucuza gönderebiliriz.

Bu yüzden VASIMR benzeri roketler elektrikli itiş sistemleri kullanıyor ve bunları iyon motoru sınıfına sokuyoruz. İyon motorları net elektrik yükü olan atomlardan oluşan bir parçacık jeti yaratır ki yüklü atomlara iyon deriz. Argon ya da ksenon gibi bir gazı alıp aşırı ısıtırsanız elektronların bir kısmı yörüngeden kopar. Böylece atom çekirdeklerindeki proton sayısı yörüngedeki elektron sayısını aşar.

İyon motoru çalışma prensibi

Sonuçta elinizde pozitif yüklü atomlar ve serbest elektronlardan oluşan iyonize gaz kalır. Gazlar genellikle 3000 derece sıcaklıkta iyonize olur ve buna maddenin yeni bir hali olarak plazma deriz. VASIMR de iyonize gaz jetiyle çalışıyor. Bu yüzden genel olarak bir iyon motoru ama özünde plazma roketidir. Aradaki fark iyon motorlarının plazmayı ısıtmak için elektrik kullanmasıdır ama VASIMR plazmayı radyo dalgalarıyla (radyo frekansı tahrik sistemiyle) ısıtır. Bu yüzden de daha az enerjiyle çalışmasına rağmen daha çok güç üreterek  uzun süre çalışır. Peki RF tahriki nasıl çalışır?

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

 

VASIMR roketi ve RF tahriki

İyon motorlarının VASIMR kadar güçlü olması için aşırı yüksek voltaj kullanmak gerekir. Bu da 1) iyon motoru için büyük bir güç kaynağı gerektirir ve 2) motorun (gazı ısıtan elektrotların) aşırı ısınarak yıpranmasına yol açar. Büyük güç kaynakları ağır ve pahalıdır. Dahası iyon motorları zayıf ve çok yavaş hızlanır. Bu yüzden iyon motoruna büyük güç kaynağı takıp gücünü artıramazsınız.

İyon motorlarını uyduların yörüngede manevra yapması ve en fazla Asteroit Kuşağı’na küçük insansız uzay araçları göndermekte kullanırız. VASIMIR roketleri ise Mars’a insan taşıyacak kadar güçlü olacaktır ve bunun nedeni radyo dalgalarıyla çalışmasıdır. RF tahrikiyle plazmayı az enerjiyle çok ısıtmak mümkündür. Aslında VASIMR de radyo dalgaları üretmek için elektrik kullanıyor ama plazmayı doğrudan elektrikle (elektrotlar veya elektronik cihazlar) ısıtmadığı için az enerjiyle verimli çalışıyor.

Oysa VASIMIR’in açılımı neydi? Değişken Özgül İtki Manyetik Plazma Roketi: Özgül itki roketin kendini itmesi demek ve plazmayı da gördük. Geriye manyetik itiş ile değişkenlik terimlerini açıklamak kaldı ki manyetik itiş kısmı da basittir. İyonize gaz (plazma) net elektrik yükü olduğu için nötr atomların tersine manyetik alanlardan etkilenir. (Bu arada nötr atomlardan üretilecek ince parçacık jetlerine “ölüm ışını” deriz. Nikola Tesla tarafından 19. yüzyıl sonunda tasarlanan bu teknoloji çok yıkıcı bir silah oldurdu. Mass Effect 2 video oyunundaki Koleksiyoncuların taşıdığı ağır silahlar gibi).

İtiş ve tahrik sistemleri

Devam etmeden önce manyetik itiş ile radyo frekansı tahrik sistemi arasındaki farkı da açıklayalım. Neden birine itiş diğerine tahrik sistemi diyoruz? Radyo dalgaları plazmayı ısıtarak tahrik etmekte, yani enerji yüklemektedir. Manyetik alanlar ise plazma jetinin roket egzozu gibi VASIMR’in arkasından püskürerek uzay aracını itmesini sağlar. Bu bağlamda VASIMR değişken itişli bir sistemdir. Peki bu ne demek? Bunu otomatik vitesli otomobillere benzetebilirsiniz. Öyleyse uzay vitesini de görelim!

İlgili yazı: Dünyadaki En Ölümcül 5 Toksin Nedir?

 

VASIMR roketi vitesleri

VASIMR için egzoz gazını odaklayıp yüksek basınçla uzaya püskürtecek bir roket çanı kullanmayız. Bunun yerine manyetik itiş sisteminin ürettiği manyetik alan çanı kullanırız. Öyle ki plazma jetini F-16 jet motorundaki gibi hareketli parçalar kullanmadan çok hızlı bir şekilde sıkıştırıp yönlendiririz. Böylece dar açılarda manevra iticilerine gerek olmadan uzay aracını yukarı-aşağı ve sağa-sola yönlendirebiliriz.

Hareketli parça gerektirmeyen çevik manevra kabiliyeti VASIMR roketinin ömrünü uzatıp bakım maliyetini azaltır. Mars’a sürekli gidip gelecek roketlerin bir otobüs kadar uzun ömürlü olmasını istersiniz değil mi? 😉 Oysa değişkenlik derken yalnızca aktif egzoz yönlendirmeyi kast etmiyoruz. Aynı zamanda radyo frekansı tahrik sistemini kast ediyoruz. Bu ne demek derseniz:

Elektrikli ısıtıcıların tersine plazmayı radyo dalgalarıyla klimayı kısıp açar gibi ısıtabilirsiniz. Motor sıcaklığını, dolayısıyla itiş gücünü taşıdığınız yüke ve hedefin uzaklığına göre ayarlayabilirsiniz. Bu da enerjiyle yakıt tüketimini azaltır ve yine motor ömrünü uzatır. Şimdi VASIMR plazmasını nasıl ısıttığımızı görelim: Önce bir boruya hidrojen veya argon gibi bir gaz pompalıyoruz. Sonra çevresine elektromıknatıs bobini sarıyor ve iki adet dijital eşleyici (kuplör) yerleştiriyoruz. Böylece elektriği radyo dalgalarına dönüştürüyoruz (eşleyici elektrik frekansını radyo dalgası frekansına eşliyor).

Her ne kadar sıvı hidrojen üretim, depolama ve yakıt doldurma maliyeti açısından doğal gazın ana bileşeni olan metan gazını yakacak Yıldız Gemisine rakip olamasa da VASIMR’de düşük maliyetli hidrojen gazı kullanabiliriz. Argon ve ksenon daha iyidir ama hidrojen suyu parçaladığınız zaman bol bol üretebileceğiniz bir gazdır. VASIMR’de hidrojen gazı kullanmak çok ekonomiktir. Bu bağlamda hidrojen itici yakıt olup (propellant) plazma jeti halinde roketi iter.

Hidrojen yakmanın incelikleri

Önce ksenon ve argonun göreli ağır atomlar olduğu için yüksek sıcaklıkta daha çok itiş sağladığını belirtelim (kütle enerjiden türeyen bir özelliktir ve sıcaklığın artması enerjinin artması demektir). Oysa hidrojen hafiftir ve daha kolay ısınıp hızlanır. Bu bağlamda ksenon ve argondan verimlidir ki VASIMR plazması yeterli itiş gücü sağlamak için çok sıcak olmak zorunda: Madde 3000 derecede plazma haline geçiyor ama VASIMR plazması 10 milyon derece sıcaklıkta oluyor. Oysa soğuk gazı bir anda 10 milyon dereceye çıkarmak roket motorunu bombaya dönüştürüp patlatmaktır. Bu sorunu nasıl çözeriz?

İlgili yazı: İnternetinizi Uçuracak En İyi 10 Modem

 

İki ayrı yanma odası var

Birinci kuplörün takılı olduğu ilk yanma odasında hidrojeni radyo dalgalarıyla 5500 dereceye ısıtıyor ve ikinci kuplörün takıldığı diğer yanma odasında sıcaklığı 10 milyon dereceye çıkarıyoruz. Karşılaştırma açısından Güneş’in çekirdeği 15 milyon derece, füzyon reaktörleri ve nükleer bombaların sıcaklığı da 100 milyon derecedir. Şimdi diyeceksiniz ki “A, ne kadar güzel hocam! Neden Mars’a gitmek için hemen VASIMR roketi kullanmıyoruz?” Kullanamıyoruz; çünkü pratik değil:

VASIMR iyon motorlarından daha az enerji kullanıyor ama bugüne kadar üretilen en güçlü VASIMR motoru sadece 120 kilovat güçle çalışıyor. Evet, uzayda güneş panelleriyle 120 kilovat elektrik üretebiliriz ama bu yeterli değil. VASIMR’in güç / kütle oranı kg başına 2,32 kilovattır. Üstelik bu yüksek itiş oranını 2019’da daha yeni elde ettik. Ad Astra için çalışan Athena şirketi 2019’da eski modelden 10 kat hafif ve daha güçlü olan yeni bir radyo frekansı tahrik sistemi geliştirdi.

Oysa Mars’a 100 ton yük taşıyan insanlı Yıldız Gemisi’nin ağırlığı 220 ton olacak ve bu gemiyi çalıştıracak VASIMR roketleri için 95 megavat (95 bin kilovat) kapasiteli bir güç kaynağı gerecektir. Bunu ancak küçük bir nükleer reaktörle sağlayabiliriz. Sorun şu ki nükleer reaktörler tehlikeli ve uzaya zenginleştirilmiş radyoaktif uranyum taşımak risklidir (hem kazada radyoaktif serpinti açısından hem de Rusya’nın uzaya Mars bahanesiyle nükleer bomba mı taşıyorsunuz diye savaş çıkarması açısından).

Ayrıca bir sorun daha var

95 megavatlık bir nükleer reaktör o kadar ağırdır ki VASIMR roketini hızlandırmak için daha büyük ve ağır bir reaktör gerekir. Kısacası VASIMR roketi yerden kalkmayacak ve uzayda hızlanamayacak kadar ağır olur. Bu nedenle 30 yıldır insanların Mars’a gitmesini savunan Mars Derneği başkanı Robert Zubrin, “VASIMR roketi NASA bütçesini çalıyor. Onu geliştirene dek 30 yıl geçer ama kimyasal roketlerle Mars’a şimdi gidebiliriz demiştir.” İnsanlı uçuşlar için Zubrin haklı. Peki ne yapacağız o zaman?

İlgili yazı: Virüsler Canlı mı ve RNA Yaşamın kökeni mi?

 

VASIMR roketi için geleceğe bakış

VASIMR’le Mars’a 40 günde gitmek için daha kompakt ve hafif nükleer reaktörler geliştirmeliyiz. Bunun mümkün olacağını sanmıyorum. Nükleer reaktörler atomu parçalayarak çalışır. Bu da küçük reaktörlerin güçlü çalışmak için çok enerjik olması demektir. Onlar da artık reaktör olmaz, ancak nükleer bomba olur (hatta NASA bu yüzden 50 yıl önce atom bombasıyla çalışan roket tasarladı 😮 ).

Mars’a insan gönderecek kadar güçlü bir VASIMR üretmenin tek yolu güç kaynağı olarak nükleer füzyon reaktörü kullanmaktır. Küçük reaktör geliştirene dek füzyon motoru tasarlayabiliriz ama bunu 2050’den önce geliştiremeyiz. Şansımız varsa Dünya’daki ilk füzyon reaktörleri 2040’a açılır ama füzyon roketlerinin geliştirilmesi 2100’ü bulabilir. Ne de olsa nükleer enerjide sabıkalıyız: 1940’lardan beri atomu parçalıyoruz ama daha rokete takılacak kadar küçük VE güçlü bir reaktör üretemedik (yoksa Mars üsleri için 10 kilovatlık mini reaktörler hazır).

Yine de nükleer füzyon reaktörüyle elektrik üretip plazmayı 100 milyon dereceye ısıtan hiper VASIMR roketlerini 40 yıla geliştireceğimizi düşünüyorum; çünkü füzyon reaktörlerini çevreci bakışla baştan minyatür olarak tasarlıyoruz. Yapay zeka ve yılların reaktör deneyimi bize yardım ediyor ama kırk yıl da 2060’a karşılık geliyor. Ben göremem herhalde ama üniversite gençliği 60 yaşına geldiğinde nükleer füzyon VASIMR roketi ile Mars’a 40 günde gidecek! 😊 O zamana dek SpaceX Yıldız Gemisi neredeyse LPG kadar kolay kullanılan soğutularak sıvılaştırılmış metan yakıtıyla (doğal gazla) bizi Mars’a taşıyacak. 😉

VASIMR roketi alternatifleri

Peki elektrikli güneş yelkeniyle Mars’a 3 günde nasıl gideriz? Onu da şimdi okuyabilir, Mars’a 60 günde gidecek VASIMR rakibi Hall roketlerine bakabilir ve yakın yıldızlara 100 yılda gidecek ICARUS lazer füzyon roketini hemen görebilirsiniz. Komşu yıldızlara gitmenin 5 yolunu okuyup Avatar filmindeki antimadde roketli ISV Venture Star ile Mars’a 3 ayda gidecek mini füzyon roketlerini inceleyebilirsiniz. Işık altı hızlardan sıkılırsanız ışıktan hızlı Warp Sürüşüne de bakabilirsiniz. Keyifle okuyarak bilimle kalın.

VASIMR roket animasyonu

¹The use of rf waves in space propulsion systems
²Plasma instability of magnetically enhanced vacuum arc thruster
³Helicon plasma in a magnetic shuttle