Hızyuvarı: Ses hızında tren olur mu?
Hızyuvarı, yani vakum tüpler içinde ses hızında giden tren nedir? Hyperloop hızyuvarı hızlı trenlerin ve maglev mermi trenlerin yerini alacak mı? Birkaç ay önce hipersonik füzeleri, ses çıkarmadan uçacak yeni nesil süpersonik yolcu uçaklarını, yörünge altı hipersonik yolcu uçaklarını ve Türkiye’nin uzaya roket gönderme çalışmalarını anlattım. Kısacası sesten 2 ila 10 kat hızlı giden füzeler, insansız hava araçları ve gelecekte kullanılacak uçaklar hakkında epey bilgimiz oldu. Peki ya ses hızında yerden giden trenler? Elon Musk 2013’te yerüstüne boru hattı gibi döşenecek olan neredeyse vakum tüpler içinde ses hızında gidecek yolcu ve yük trenleri projesini ortaya attı. Peki hızyuvarı veya İngilizcesiyle Hyperloop uçakların yerini alacak mı?
Sonuçta bunlar uçakla bir yere 2,5 saatte gidene kadar, aynı mesafede 2,5 kez gidip gelecekti. Örneğin Los Angeles–San Francisco arasında bunu yapacaktı. Ne de olsa hızyuvarları havalimanına ulaşma trafiği ve bekleme derdi olmadan, doğrudan şehir içindeki garlardan çalışacaktı. Hatta bu işe atılan şirketler hızyuvarının iç hat uçuşların yerini alarak havayolu şirketlerini iflas ettireceğini öne sürdü. Peki hızyuvarı nedir ve nasıl çalışır? Gelecekte yolcu uçaklarının yerini alabilir mi?
İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dil
Hızyuvarı ve mermi trenler
Önce terimlerle başlayalım. Bilim yapmanın yolu terimlerini tanımlamak ve varsayımlarınızı belirlemekle başlar. Bu ikisi de felsefe ve mantığın alanıdır. Bu aşamada yanlış iş yaparsanız teorileriniz baştan yanlış olur. Bu bağlamda Hyperloop’un tam Türkçe karşılığı hiper ringdir. Hani şu Kadıköy’de ringi seferi yapan ER2 otobüsleri gibi. Ring yapan toplu taşıma araçları son durakta durmak yerine gerisin geri ve bazen başka bir yoldan ilk durağa geri döner. Hızyuvarı bu şekilde çalışmayacak. Hep tek yönlü ve son duraklı olacak.
Öte yandan Hyperloop Amerikan İngilizcesinde duraklar arasında çok hızlı gidip gelip mekik dokumak anlamına da geliyor. Bu açıdan Türkçe Hızyuvarı daha doğru bir karşılıktır. Yuvar(lak) loop karşılığı olarak kullanılmış ama en azından hızyuvarının ring seferleri yapmayacağını gösteriyor. Yuvar biraz da tren tekerleklerini andırıyor fakat birazdan göreceğimiz gibi hızyuvarının tekerlekleri yok. Yine de Hyperloop’un İngilizceye yakışması gibi hızyuvarı da Türkçeye yakışıyor. Zaten kusursuz terim yoktur. Araştırmalarda yeni bilgiler edindikçe eski terimlerin yetersiz kaldığını görürüz. Oysa bunlar dile yerleşmiştir ve bazen de hızyuvarı gibi çok havalıdır. 😊
Peki sözcük kökenbilim bir yana
…hızyuvarı ile mermi tren arasındaki fark nedir? Özellikle Japonya ve Çin’deki süper hızlı trenlere saatte 600 km’yi aşan yüksek hızı ve aerodinamik lokomotif burunlarının şekli nedeniyle mermi tren denir. Mermi trenler ta 1889’da tasarlandı ve hatta elektrikli sürümlerinin saatte 72 km gibi o zaman için çok yüksek hızlara çıktığı oldu. Mermi trenler 1964’te Japonya’nın Tōkaidō Shinkansen demiryolu hattında kullanıma girdiğinde saatte 250 km hız yapıyordu. Bizim hızlı trenlerin kısa süre için bu hıza çıktığını umabiliriz. 😉 Günümüzde süper hızlı trenler ortalama 350 km ve sıklıkla 430 km hıza çıkmaktadır. Hızyuvarı ise mermi tren değildir. Peki nedir?
İlgili yazı: Gerçek Adem: ilk insan ne zaman yaşadı?
Hızyuvarı tam olarak nedir?
Hızyuvarı vakum tüpler içinde hava yastıklarının üzerinde yükselerek ses hızına ulaşan tren demektir. Aslında tren de değil; çünkü tek bir vagon var ve o da hem lokomotif hem de yolcu veya yük vagonudur. Bu tasarımı ünlü Amerikalı mühendis ve fizikçi Robert Goddard 1904 yılında ortaya attı… ki ilk sıvı yakıtlı roket motorunu geliştirerek kıtalararası nükleer balistik füzeler ve uzay roketlerinin önünü açmıştır. Resimde gördüğünüz üzere, nesneleri vakum borulardan itip taşımak trenler için değil ama bina içinde posta göndermekte kullanılıyordu. Yerel internet ağından önce bu tür pnömatik borular vardı. 😊
Bunlar evlerin kanalizasyon borularına benziyor! Nitekim 1900’lerin ilk yarısında postanelere gönderilen zarflar postalanmadan önce sınıflandırma masalarına böyle ulaştırılıyordu. Apartmanların alt ve üst katları arasında pnömatik tüplerle taşınıyordu. Bugün de bunları Batıdaki eski hastaneler ve postanelerde bulabilirsiniz. Hatta Chikagolu mucit Joseph Stoetzel, vakum tüplerin güvenli olduğunu göstermek için 1908 yılında, kendi küçük kızını pnömatik vakum tüpten aşağı yollamıştı!
Nasıl derseniz
Bu tüpler günümüzün boru şekilli aquapark kaykaylarına benziyordu. Zaten Stoetzel buna benzeyen bir lunaparkın eğlence sistemlerinin inşaatında çalışmıştı. Forest Park Lunaparkı’nda açılan bir yeraltı tünelinin içinden pnömatik tüp geçiyordu. Tüpteki hava bir uçtan dışarı pompalanıyordu. Bu da içeride vakum oluşturuyor ve tüpün diğer ucundaki lunapark vagonları, o uçtan gelen havanın itişiyle hızla tüpten geçerek diğer uçtan dışarı çıkıyordu. Hatta Stoetzel, vakum tüpün ne kadar güvenli olduğunu göstermek için önce kendi kızını tünelden aşağı göndermişti.
Ne diyelim? O zaman çocuk sağlığı ve güvenli otoriteleri yetersizdi, etik kurullar da yoktu. Yine de hızyuvarının atası budur. Nitekim Goddard ses hızından söz etmese dahi, vakum tüplerde hava sürtünmesi olmadan yüksek hızlara çıkacağını düşündüğü bu trenlere Vactrain, yani vakum tren demişti. Peki 100 km irtifada, uzayın hemen sınırı ama alçak yörüngenin altında sesten 15 kat hızlı uçan hipersonik yolcu uçakları geliştirmek varken, neden yerde ses hızında giden hızyuvarı geliştirmeye çalışıyoruz?
İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt
Hızyuvarı hipersonik uçağa karşı
Hipersonik uçakları detaylı anlattığım için özet geçeceğim. Hipersonik uçaklar ya yerden uzay mekiği gibi dik kalkar veya yüksek irtifada sesten çok hızlı uçar. Ses hızının 5 katına çıkan veya daha hızlı giden uçaklara hipersonik uçak denir. Her durumda hızlanma yaşlı insanlar için zararlıdır. Tıpkı astronotlarda olduğu gibi ancak en sağlıklı yolcular hipersonik uçaklara binebilir. Ayrıca bunlar çok hızlı gitmek için hafif olmalıdır. Bu yüzden ağır yük ve çok yolcu taşıyamaz. Üstelik çok yakıt yakar ve çok yakıt taşır. Bu da hem ağırlığı hem de maliyeti artırır. Hızlandıkça erimeyen uçak ve motor üretmek de zordur.
Sözün özü hipersonik uçaklar 100 yıl sonra da pahalı olacaktır. Elon Musk bu yüzden hızyuvarının hipersonik uçaklara alternatif olacağını düşündü. Üstelik SpaceX şirketinin geliştirdiği Yıldız Gemisi’nin küçük bir modelini hipersonik uçak olarak kullanmayı planlıyor. Yine de 2013’te hızyuvarı konseptini tanıttı. Yanlış anlaşılmasın: Musk’ın şirketleri başka işler yapıyor. Hızyuvarı ise kanıtlanmamış ve riskli bir teknoloji. En azından ticari açıdan riskli. Bu yüzden Musk, dünya çapında hızyuvarı abartısı yaratıp diğer şirketleri buna yönlendirdi ki hızyuvarı şirketlerinin batması umurunda olmaz.
Oysa başarılı olursa yeni şirketi The Boring Company ile hızyuvarı boru hatlarını döşeyerek para kazanabilir. Peki hızyuvarı hipersonik yolcu uçakları karşısında avantajlı olur mu? Bu vakum kalitesine bağlı. Yüzde 93 oranında havası alınmış bir tüpte mermi trenler az elektrik veya yakıt tüketerek saatte 430 km hıza çıkabilir. Yalnız bunun bir avantajı yok. Klasik hızlı trenler bu hıza zaten çıkıyor. Üstelik vakum trenler az yakıt harcasa da boru hattının inşası ayrı masraf.
Hızyuvarı buradan çıkıyor
İsviçrelilerin önerdiği vakum mermi trenler projesinin hayata geçmemesi üzerine hızyuvarı geldi. Bu kez yüzde 99 vakumda giden vagonlardan söz ediyoruz. Bunlar tek vagon olduğu ve ses hızına ulaştığı için maliyet açısından mermi trenlerle rekabet edebilir ama kazın ayağı öyle mi?
İlgili yazı: Zamanda Yolculuk Etmenin 9 Sıra Dışı Yolu
Hızyuvarı dezavantajları
Elon Musk’ın duyurusunun ardından California merkezli Hyperloop Transportation Technologies, yine Amerikan şirketi Virgin Hyperloop, Kanada–Fransa ortaklığı TransPod ve Hindistan’nın DGW Hyperloop şirketleri bu işe el attı ki 6-8 yıldır harıl harıl çalışıyor. Diğer yandan Musk da SpaceX şirketi üzerinden 2015–2019 arasında, Ar-Ge’yi teşvik etmek için hızyuvarı şirketlerinin 1 kilometrelik vakum tüpte prototiplerini yarıştırdığı bir yarışma düzenledi. Almanya’nın Nazilerin yenilgisinden sonra Amerika’ya teknolojik üstünlük kazandırmasından yola çıkarsak hiç şaşırmayacağımız üzere, bütün yarışmaları Münih Teknik Üniversitesi ekibi kazandı.
Hızyuvarı teknolojisi de Alman Ar-Ge’sine dayanıyor. Hızyuvarı dezavantajları için de Musk’ın 2013’teki Hyperloop Alpha planlarına bakalım. Bu tasarımda 28 yolculuk vagonlar görüyoruz ki bunlar yolcu yerine bir TIR konteyneri de taşıyabilir. Vagonlar yüzde 99,9 vakumda gidiyor ama tüpte az miktarda helyum var. Sonuçta helyum kazada veya vagonun sürtünmesi sırasında alev alıp patlamayacak olan atıl bir gazdır. Hem azıcık gaz tünelin standart Dünya atmosferi tarafından ezilmesini önler. Az masrafla yerüstünde sağlam boru hatları döşemeye yardımcı olur. Buraya kadar güzel.
Öte yandan hiçbir tren tekerleklerle rayların üzerinde ses hızında gidemez. Tekerlek ve raylar sürtünme ısısıyla eriyip deforme olacaktır. Ayrıca ses hızında giderken bunları –160 derecelik sıvı azotla bile soğutamazsınız. Bunun yerine hızyuvarının burnunda Mig-21 savaş uçağı gibi dev bir hava alığı olacak. Helyum buradan girecek ve aracın arkasındaki kompresör fanıyla sıkıştırılacak. Sonra da vagonun altından yere üflenecek ve yerden 1 mm yükselmesini sağlayacak. Kısacası hızyuvarı hava yastıklarının üzerinde ve ses hızında adeta uçacak. Peki bu mümkün mü?
İlgili yazı: Dünyadaki En Ölümcül 5 Toksin Nedir?
Hızyuvarı ve sarsıntı
Yüzde 99,9 vakumda aracı yerden 1 mm yükseltecek kadar “hava” emmek ses hızında gidiyorsanız mümkündür. Oysa hızyuvarı kalkarken normal tren hızında gidecek. O aşamada tekerlek mi kullanacak? Hızlanırken tekerleklerin güvenli bir şekilde, yani aşırı ısınmasından yerden kesilmesini nasıl sağlayacaklar? Araç ses hızına çıkacak kadar hava çekecek mi? Bunlar ciddi mühendislik problemleridir ama sadece bu değil. Bir de yükseklik sorunu var. Dünya gezegeni aşırı yerçekimiyle en yüksek dağları sadece 30 mm olan pürüzsüz yüzeyli bir nötron yıldızı değildir!
Yeryüzündeki en iyi boru hattı bile 1 mm’den yüksek kasisler yapar, yani engebeli olur. Havanın ısınması ve soğuması bile boru hattını 1 mm’den fazla eğer. Ses hızında vagonun altı bir kez yere çarpınca (1 mm’lik hata payı ne ki?) yolcular ölür. Ölür derken vagonun parçalanmasına gerek yok. Ses hızında en küçük bir sarsıntıda yolcular havaya sıçrayıp başını tavana çarpacaktır. 20 dakikalık bir yolculukta yüzlerce kez çarpacaktır!
Nitekim videoya bakın
Test sürüşünde ses hızından yavaş giderken bile yolcular neredeyse dişleri dökülür ve çeneleri çıkarcasına sarsılıyor. Ses hızında ise bu sarsıntı ölümcüldür. Özellikle de yapıcı rezonansı düşünün. Hani şu asma köprü yıkan cinsten birbirini güçlendiren sarsıntıları… Rezonans hızyuvarı vagonunun içindekilerle birlikte parçalanmasına neden olacaktır. O yüzden amortisörleri ve motosiklet kaskını unutun. Eski Hyperloop yazımda hızyuvarını çok övmüştüm ama yeni şeyler öğrendim. Mesela sarsıntı yüzünden hızyuvarında hava yastığından vazgeçtiler ve bunun yerine maglev kullanacaklar:
İlgili yazı: Kuantum Fiziğinde Süper Determinizm ve Özgür İrade
Maglev nedir?
Onu da süperiletkenlerde anlattım ama özetle manyetik yastıkla yerden 1–10 cm yukarıda süzülme veya hızlanmaya maglev denir. Sonuçta elektromanyetik kuvvette eş kutuplar birbirini iter. Raylar ve trenin altındaki tekerlekler veya pabuçlar süperiletken olursa birbirini daha kuvvetli iter. Buna karşın trenlerde kullanabileceğimiz, yani ekonomik olarak ölçeklenen en yüksek sıcaklıklı süperiletkenleri bile sıvı helyumla soğutmak gerekir. Hızyuvarı maglev ile raylardan yükselebilir. Oysa bu da sorunlu.
Aslında bildiğimiz maglev trenlerin 40 yıldır yaygınlaşmamasıyla aynı nedenlerden sorunlu… Sıvı helyumu soğutmak zordur. Sıvı helyumu uzakta soğutup raylara taşımak daha zordur; çünkü yolda ısınır. Helyumu yerinde soğutmak daha maliyetlidir (hat üzerinde birkaç soğutma istasyonu kurmak gerek). Hem treni hem de rayları helyumla ayrı ayrı soğutmak daha maliyetlidir (trende ek soğutma sistemi olmalı). Haydi bu sorunları aştınız diyelim. Bir de ray sorunu var!
Şimdi diyeceksiniz ki hani tünelde ray yoktu hocam? Oysa acil durumlarda güvenli duruş için olmak zorunda. Tabii maglev hızyuvarı pratikte ray kullanmayacak ama boru hattını unutuyorsunuz. Boru hattı havadaki en küçük bir sıcaklık değişiminde esneyip büzülerek deforme olacaktır. Saatte 350 km hızla giden bir trenin raylarının normal raylara göre nasıl üstün teknoloji ürünü olduğunu düşünün. Deforme olmaya dayanıklı dar raylardan söz ediyoruz. Ayrıca tren dönerken yan yatarak dengeyi korur. Hız yuvarı da havada süzülürken yan yatacak ama boru hattı az yamulsa duvarlara çarpıp patlar. Çözümü ne?
Alüminyum pillerle 1800 km gidin
İlgili yazı: 5 Soruda Paralel Evrenler
Yeraltında hızyuvarı tüneli açmak
Maglev teknolojisinde daha birçok sorun var. En önemlisini aktarayım: Hızyuvarının ekstra amortisörlere ihtiyacı olacak. Helyum soğutmayla birlikte bu, aracı daha da ağırlaştıracak. Hava yastıklı hızyuvarı 28 kişi taşıyacakken maglev hızyuvarı 20 kişi taşırsa öpüp başınıza koyun. Maglev sistemi fanlı hava alığı ve fanlı kompresör kadar ağır olabilir ama amortisörler ağırlığı net artırıyor. Neyse… Diyelim ki yerüstü boru hatları yerine yeraltında tünel açacağız. İyi de sırf tünel açmak pahalı olduğu için boru hattı demiştik! Depremleri saymıyorum bile! Sonuçta deprem tüm trenler için felakettir.
Peki tünel maliyetini azaltabilir miyiz? Tabii. Daha dar bir tünel açarız. Mesela trenin rahatça sığacağı ama metro tünelinden dar bir tünel fakat o zaman da tren ses hızına çıkamaz. Kantrowitz limiti uyarınca bir tünel ne kadar darsa sürtünme o kadar artar. Sonuçta hava aerodinamik ilkelerine uyarak trenin altından, üstünden, yanından akamaz ve önünde sıkışıp direnir. Bunun ne zaman ve nasıl olacağını rüzgar tünelinde ölçmek çok ama çok zordur. Sonuçta aerodinamik salt bilgisayar simülasyonuyla hesaplanamaz. Gerçek dünyadan veri almanız lazım. Oysa biz daha tam boy hızyuvarı vagonu yapıp hızlandırmadık. Bu işi bir vagonu gerçekten hızlandırmadan, sabit rüzgar tünelinde ölçemezsiniz. ☹
Başımın belası
Tabii yüzde 99 vakumda bile helyum gazı sıkışınca (soğutma helyumu değil bu, tüneldeki helyum) ses dalgalarına yol açacaktır. Treni bir de bu sarsacaktır. Ayrıca trenin tünele sığmaması var: Bir tren dönerken savrulma kuvveti hızın karesiyle artar. Üstelik savrulma kuvveti dönüş eğrisinin yarıçapına ters orantılı olarak azalır. Kısacası tren ne kadar hızlı giderse dönerken o kadar büyük bir kavis çizmek ister. Hem dönüş sırasında yolcuların duvarlara yapışmaması için hıza göre dönüş yarıçapını iki kez artırmak gerekir. Oysa saatte 600 km’ye çıkan bir mermi tren özel raylarda gayet güzel döner.
Biraz yavaşlar, amortisörler üzerinde yan yatar, dar ray avantajından filan yararlanır. Buna karşın hızyuvarı tanım gereği ses hızında gittiğinden bunların hiçbiri işe yaramaz. Hızyuvarının dönme yarıçapı en geniş tünele veya tüpe bile sığmaz! O kadar büyüktür. Kısacası hızyuvarı dümdüz bir tünelde gitmek zorundadır ya da dönerken çok yavaşlaması gerekir… Bu da ses hızında gitmenin amacına aykırıdır. Peki hızyuvarı imkansız mıdır?
İlgili yazı: Evrenin En Büyük Yıldızı UY Scuti mi?
Sadece 30 yıl sonra pratik olacak
Hızyuvarının önünde aşılmayacak bir engel yok. Bunun için Avatar filmindeki gibi başka yıldızlara gidip oda sıcaklığında süperiletken olan madenler çalmanız gerekmiyor; ancak teknolojinin gelişmesi için beklemek lazım. Nitekim bazı ülkeler sırf ne kadar zengin ve becerikli olduğunu göstermek için bu konuya el attı. Örneğin parası bol olan Arap ülkeleri. Hindistan ise altyapısı eksik olan fakir bir ülke olmaktan yararlanıyor. Orada halk yoksul, devlet zengindir ama altyapı eksik olduğundan yeni ulaşım teknolojilerine yatırım yapmaları da kolaydır. Nitekim Çin, Abu Dabi ve Hindistan yakın gelecekte Japonya’daki maglevler gibi kısa hatlarda küçük vagonlu denemelere başlayacak.
Gerçi bunlar ses hızında gitmeyecek. Sadece tünelden giden maglev tren olacak ama bir yerden seferlere başlamak lazım. Mühendislik problemlerini güvenli hızlarda test ettikten sonra ses hızını değerlendirmek mümkün olabilir. Doğru Ar-Ge süreci budur. Oysa en önemli sorun hızyuvarının kendisi. Yolcuları ve yükleri vagonlarla tek tek taşımak ekonomik değildir. Bunun için çok sayıda vagondan oluşan trenler ve yüksek kargo/yolcu kapasiteli uçaklar kullanıyoruz. Hızyuvarının değil ama vakum tüpten giden mermi trenlerin yaygınlaşma olasılığı daha yüksektir.
Siz de evrenin en çılgın hiper hızlı yıldızlarına ve uzayda güneşi olmadan dolanan başıbozuk gezegenlere şimdi bakabilirsiniz. Güneş enerjisi, piller, hidrojen yakıt hücreleri ve bilgisayar teknolojisinde gelecek vaat eden grafeni hemen görebilirsiniz. Uzayda hız rekoru istiyorsanız kozmik lazerlere ve CERN’deki LHC parçacık hızlandırıcısı yanlışlıkla kara delik üretirse ne olur sorusunun yanıtına da bakabilirsiniz. Bilimle ve sağlıcakla kalın.
Kuantum Silgisi ile Zamanı Geri Alabilir miyiz?
1Vacuum Tube Transportation System – U.S. Patent Office, 1950
2From Berne to Zürich in 12 Minutes!
3Dynamic amplification factors for ultra-high-speed hyperloop trains: Vertical and lateral vibrations
4Hyperloop System Optimization
5Hyperloop — The ALICE analysis train system for Run 3
6Genetic optimization of the Hyperloop route through the Grapevine
