Yıldız Gemisi için Mürekkepbalığı Şekilli Isı Kalkanı

Bilim insanları Mars’a 100 kişi gönderecek SpaceX Yıldız Gemisi için mürekkepbalığı şekilli yeni bir ısı kalkanı geliştiriyor. Amaç aracı Mars atmosferinde yanıp erimekten koruyacak olan ısı kalkanının uzay gemisini yerden kalkmayacak kadar ağırlaştırmasını önlemek. Peki neden denizlerde yaşayan bir yumuşakça olan mürekkepbalığından esinleniyoruz ve mürekkepbalığı şekilli yeni ısı kalkanı nasıl çalışıyor?

Mars’a inmek içinizi ısıtır

Dünya’ya dönen bir uzay aracı atmosfere sesten 15 kat hızlı giriş yapar ve adeta havayı mahmuzlayacak kadar hızlı gider. Bu sırada aracın burnu ve alt kısmında sıkışan hava sürtünme etkisiyle ısınır. Öyle ki uzay mekiği gibi insanlı bir uzay aracının dış sıcaklığı 1500 dereceye erişir. Mars atmosferi de Yıldız Gemisi’nin hızını kesmeyecek kadar ince ama aşırı ısınmasına yol açacak kadar kalındır. Bu nedenle Yıldız Gemisi’nin sıcaklığı da Mars’a iniş sırasında 1500 dereceye çıkacaktır.

Yıldız Gemisi’nin yumuşak iniş yapmak için hız kesmesi gerekiyor. Bu nedenle atmosfere sürtünmeyi azaltacak bir açıyla giremez. Buna karşın uzay mekiğinin ısı kalkanları mekikten çok daha büyük olan Yıldız Gemisi’ni Mars’a gidemeyecek kadar ağırlaştıracaktır. Bu yüzden gemideki ince ısı kalkanı en fazla 1377 derecelik sıcaklığa dayanıklı olacaktır. SpaceX bunun için ısı kalkanı ve aktif soğutma kullanan hibrit bir sistem tasarlıyor.

Küçük ve hızlı uzay araçları ise atmosfere çok daha hızlı giriyor. Bunlar 2100 ila 2900 dereceye kadar ısınıyor. NASA bu sorunu çözmek için 2600 dereceye dayanıklı yeni bir ısı kalkanı geliştiriyor ama bu kalkan da kalın ve ağır olacak. Oysa hem ince hem dayanıklı bir ısı kalkanı üretirsek hibrit soğutma olmadan Mars’a gidebiliriz.  

Bilim insanları işte bu yüzden Mars’a inecek Yıldız Gemisi için mürekkepbalığının kemiğe benzer iç kabuğundan ilham alan yeni bir ısı kalkanı geliştiriyor. Peki neden mürekkepbalığından ilham alıyor ve mürekkepbalığı şekilli ısı kalkanı nasıl çalışacak?

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

 

Mürekkepbalığı ısı kalkanı

Bilim insanları ısı kalkanlarını hafifletmek için yeni malzemeler geliştiriyor. Bunlar aynı zamanda atmosfere girerken ortaya çıkan şiddetli sarsıntıya da dayanıklı olacak. Aksi takdirde fayans gibi çatlayıp rutubetli banyo tavanındaki kireç sıva gibi pul pul dökülebilir…

NASA bunun için 1950’lerde ablatif ısı kalkanları geliştirdi. Teknisyenler kalkan maddesini aracın gövdesine sprey boya gibi püskürtüyor ya da boya gibi sürüyordu. Ablatif kalkan ısınınca buharlaşıyor ve ısıyı havaya verip aracı soğutuyordu. Oysa bunlar pahalı ve ağırdı. Uzay aracına tonlarca yük ekliyor ve buharlaştığı için sadece tek sefer kullanılabiliyordu. Bu da maliyeti iyice artırıyordu.

Bu yüzden uzay mekikleri için Kalebodur benzeri seramik fayanslar ürettik. Araca döşenen siyah fayanslar daha hafif olup yeniden kullanıma uygundu. Buna karşın mekiği binlerce fayansla kaplamak gerekiyor ve bu da maliyeti yükseltiyordu. Ayrıca fayansları her inişten sonra özenle kontrol etmek ve gerekirse değiştirmek gerekiyordu. Nitekim uzay mekiği Columbia 2003’te bu fayanslardan birinin düşmesi nedeniyle atmosfere girerken yandı.

Yerinden kopan tek bir fayansın açtığı yerden gövdeyi delen alevler mekiği içeriden yakıp patlattı. Bu da tıpkı önceki Challenger mekik kazasında olduğu gibi 7 astronotun yaşamını yitirmesine neden oldu. Üstelik Yıldız Gemisi’ne seramik fayans takamayız; çünkü bunlar çok ağır olacaktır. Ayrıca Mars’a indikten sonra fayansları yenisiyle değiştirmek gerekir. Mars’ta bir fabrika ve hangar olmadığı için bunu yapamayız. Başka bir çözüm bulmalıyız ki mürekkepbalıkları işte burada devreye giriyor:

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

 

Mürekkepbalığı kabuğu

Yeni bir ısı kalkanı inişteki sarsıntı ve yüksek ısıya dayanıklı olmalı. Aynı zamanda düşük maliyetli ve hafif olmalı. Bu ısı kalkanı sprey boya veya seramik fayans olamaz. Bunun yerine sünger gibi gözenekli bir kalkan üretmek gerekiyor. Malzeme biliminin yanı sıra bize mühendislik bilgisi de gerekiyor!

Mürekkepbalıkları tıpkı kafadanbacaklı kuzenleri ahtapotlar ve kalamarlar gibi yumuşakça sınıfına giren deniz canlılarıdır. Kemikleri yok ama vücutlarının içinde içi boş bir iç kabuk vardır. Bilim insanları Yıldız Gemisi’nin ısı kalkanını kabuk şeklinde üretmek istiyor. Neden derseniz:

Mürekkepbalığı kabuğu billurlaşmış beyaz kalsiyum karbonattan oluşuyor ve işin mühendislik kısmı burada devreye giriyor. Aragonit denilen kristalize kalsiyum karbonat kabaca insan kemiğini andıran süngerimsi bir yapıda oluyor. Mürekkepbalıkları bu gözeneklere azot gazı ve su pompalayarak suyun kaldırma kuvvetini değiştiriyor. Su basıncına göre derinlik değiştirerek yüzüyor.

2020’de yapılan bir araştırmaya göre gözenekli aragonitle sarsıntıya dayanıklı ısı kalkanları üretebiliriz. Sonuçta mürekkepbalığı kabuğunun içyapısı küçük odacıklar içeriyor. Odacıkların tavanı ve tabanı dalgalı çizgilerden oluşuyor. Bu da mürekkepbalığını gerçek bir balık yakalayıp çenesiyle ezmeye kalkarsa yumuşakçayı ezilmekten koruyor. Mürekkepbalığı kabuğu sıkışırken alt ve üst kenarından değil, önce ortasından çatlamaya başlıyor.

Isı kalkanı incelikleri

Bu da kabuğun kırılmasını zorlaştırıyor. Bilim insanları bu tür dalgalı ve odacıklı yapıları ısı kalkanı üretiminde nasıl kullanacaklarını gösteren bir bilgisayar simülasyonu yaptılar. İç katmanları daha dalgalı yapmak kalkan esnekliğini artırıyor, azaltmak ise kalkanı sertleştiriyordu. Sonunda yeterince esnek ve hafif ama aynı zamanda atmosfere girişte görülen şok dalgalarıyla sarsıntıya dayanıklı bir ısı kalkanı tasarladılar. Peki bu kalkanı Yıldız Gemisi ve diğer uzay araçlarına nasıl takacağız?

İlgili yazı: İnternetinizi Uçuracak En İyi 10 Modem

 

Isı kalkanı ve seramik köpük

Dünyanın en iyi ısı kalkanları seramik süngerden üretilir. Bunlar hafif olup yüksek ısıya dayanıklıdır. Öte yandan neredeyse cam gibi kırılgandır ve bu yüzden ısı kalkanı olarak işe yaramaz. Oysa seramik süngerleri mürekkepbalığı iç kabuğunun gözenekleriyle üretirsek bu kalkan darbeye gayet dayanıklı olacaktır. Bu tür ısı kalkanlarını Ay’da süngerimsi uzay modülleri basacak olan 3D printerlarla ve özel seramik bir seramik mürekkebiyle basabiliriz.

Buna karşın önemli bir detay var: Bu kalkanlar gözenekli olduğundan Mars’a inecek uzay gemisi için 20 metreden geniş bir kalkan üretmek gerekir. Dolayısıyla ısı kalkanı geminin gövdesini boya gibi saramaz. Aksi takdirde ısı ve sarsıntıya dayanıklı olmaz.

Öyle ki Mars’a gitmek için uzay mekiği gibi delta kanatlı bir mekik üretmek gerekebilir. Yıldız Gemisi’ni sıfırdan tasarlayamayacağımıza göre ısı kalkanını kullan-at bir kabuk gibi geminin altına takabiliriz. Öte yandan bu tür bir kalkan taktığımız uzay gemisini fırlatacak kadar büyük bir roketimiz yok. Belki Yıldız Gemisi Mars’a inerken hız kestikten sonra ısı kalkanını paraşütle yere bırakıp kalkış sırasında yeniden takabilir.

Oysa geniş kalkan fırlatma sırasında yine sorun çıkaracaktır. Kalkanı yere attıktan sonra gemiye tekrar takmak maliyet ve bakım masraflarının yanı sıra arıza olasılığını da artıracaktır. Bu nedenle mürekkepbalığı iç kabuğundan esinlenen gözenekli seramik ısı kalkanları ancak 30 yıl sonraki gelecek kuşak araçlarda kullanılabilir.

İlgili yazı: Evren Bir Simülasyon Varsayımı Bilimsel mi?

 

Mürekkepbalığı için sonsöz

Bu kalkanları geminin alt kısmına gövdeyi tümüyle saran bir kabuk gibi takabiliriz. O zaman Dünya ve Mars’tan kalkışta ya da gezegenlere inişte sorun çıkarmaz. O güne dek ise SpaceX Yıldız Gemisi hibrit soğutma sistemleri kullanacaktır. Yine de bunun Türkiye’nin planladığı hibrit yakıtlı roketle ilgisi yoktur.

Siz de Mars’a daha hızlı ulaşmak için mini füzyon roketleri, nükleer VASIMR motorları ve Hall iticilerini nasıl kullanacağımıza bakarak nükleer bomba motorlu en çılgın NASA roketini hemen inceleyebilirsiniz. Hızınızı alamayıp Starbasekozan Bilim Sohbetleri 2’deki bilim-teknoloji sorularınıza verdiğim yanıtları canlı yayın kaydından izleyebilirsiniz. Bilimle ve sağlıcakla kalın. 🙂

Bilimin sınırları

¹Interrelated chemical-microstructural-nanomechanical variations in the structural units of the cuttlebone of Sepia officinalis
²Mechanical design of the highly porous cuttlebone: A bioceramic hard buoyancy tank for cuttlefish
³Ceramic Shuttle Tiles Had History of Glitches
⁴Low-cost precursor of an interstellar mission (pdf)