Antimadde Roketi ISV Venture Star Nasıl Çalışıyor?

Antimadde roketi ile ışık hızının yüzde 70’ine çıkmak ve en yakın yıldız sistemi Alpha Centauri’ye sadece 6 yıl içinde insan göndermek mümkün mü? Sonuçta bu sistemin en küçük üyesi Proxima Centauri yörüngesinde Dünya benzeri iki gezegen bulundu ve bunlarda hayat olabilir. Biz de antimadde roketiyle bu gezegenlere insan göndererek kapı komşumuzda yaşam arayabiliriz.

Antimadde roketi ve en yakın yıldız

James Cameron’ın günümüzden 200 yıl sonra geçen Avatar filmindeki ISV Venture Star antimadde roketi, Alpha Centauri sistemindeki Jüpiter benzeri gaz devi Polyphemus yörüngesindeki Pandora uydusuna 5 yıl 9 ay 22 günde ulaşıyor. Peki yıldız gemisi ISV Venture Star ne kadar gerçekçi ve bugün tasarlanan antimadde roketleri nasıl çalışıyor? Önce Alpha Centauri’yi kısaca tanıyalım:

İlgili yazı: Dragon Kapsülleri Uzay İstasyonuna Nasıl Kenetleniyor

 

Üçlü yıldız sistemi

Proxima Centauri 4,24 ışık yılı uzakta olup Dünya’ya en yakın yıldızdır; ama aynı zamanda Alpha Centauri yıldız sisteminin üçüncü üyesidir. 4,37 ışık yılı uzaktaki Alpha Centauri de Dünya’ya en yakın yıldız sistemidir. Bu ikili yıldız sistemi birbiri çevresinde dönen G ve K sınıfı iki güneş benzeri yıldızdan oluşuyor.

Güneşimiz G2 sınıfına giren bir sarı cüce ve Güneş’ten yalnızca 1,1 kat kütleli ama yüzde 52 daha parlak olan Alpha Centauri A da 5500 derecelik sıcaklığıyla G sınıfı Güneş benzeri bir yıldızdır. Alpha Centauri B ise Güneş’in yüzde 90’ı kadar kütleli ama yarısı kadar parlak olan ve yüzey sıcaklığı 4986 dereceye erişen K sınıfı bir turuncu cücedir.

İki yıldızın birbirine uzaklığı 1,68-5,34 milyar km arasında değişiyor. Yıldızlar arası uzaklığın büyük ölçüde değiştiği bu tür eliptik yörüngeli güneş sistemlerinde hayata elverişli gezegenler bulunma ihtimali azalıyor. Newton mekaniğindeki üç cisim problemi nedeniyle yıldızlar ya gezegen oluşumunu baştan önlüyor ya da gezegenleri serseri dünyalar olarak uzayın derinliklerine savuruyor. Diğer gezegenler ise yıldızlara çok yakın ve sıcak ya da çok uzak ve soğuk oluyor.

Oysa bir de Alpha Centauri A, B yıldızlarına 1,56 ışık ayı uzakta olan Proxima Centauri var. Alpha Centauri sistemine sonradan girmiş olan Proxima Centauri, A, B yıldızlarına 1,94 trilyon km uzakta dönüyor ve bir turunu 550 bin yılda tamamlıyor. Proxima Centauri Güneş’in sadece yüzde 12’si kadar kütleli olan ve yüzey sıcaklığı 2828 dereceye zor ulaşan bir kırmızı cüce, kırmızı renkli soluk bir yıldız. Üstelik bugüne dek yörüngesinde Dünya benzeri iki gezegen bulundu!

Peki hayat var mı?

2021’de umarız ki artık fırlatılacak olan James Webb yakın kızılötesi uzay teleskopuyla 100 ışık yılı mesafedeki yıldızların yaşama uygun olup olmadığıyla ilgili genel bir fikre sahip olacağız. Ancak, bu yıldızlara gitmeden ve yörüngesindeki gezegenleri araştırmadan uzayda hayat konusunda emin olamayız. Bunu robotlarla yapabiliriz ama Proxima Centauri ayrıcalıklı; çünkü önümüzdeki 50 yılda geliştireceğimiz antimadde roketleriyle bir insan ömrü içinde gidebileceğimiz kadar yakın:

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

 

Antimadde roketi ve Proxima

Proxima Centauri’nin Dünya’dan 6 kat kütleli olan ve süper dünya sınıfına giren ikinci gezegeni yılbaşında keşfedildi. Süper dünyaların hayata uygun olup olmadığını öte gezegenlerde nasıl yaşam ararız yazısında okuyabilirsiniz. Ancak, Proxima Centauri o kadar yakın ki çevresinde en azından Mars benzeri gezegenler varsa insanlık bunlara sadece yaşam aramak için değil, yerleşmek için de gidebilir.

Bu da bizi antimadde roketi konusuna getiriyor. Bugüne dek Elon Musk’ın Mars’a insan gönderecek olan Yıldız Gemisi’ni, nükleer roketleri, nükleer füzyon roketlerini ve hatta ışık yelkenlerini gördük. Ancak, antimadde roketlerine kısaca göz atmakla birlikte bunları detaylı olarak incelemedik ve bu eksiği Avatar filmindeki antimadde roketi ISV Venture Star ile kapatacağız. Antimadde roketleriyle ışık hızının yüzde 70’ine çıkıp Proxima Centauri’ye 6 yılda ulaşmak mümkün mü?

Elimizdeki kimyasal roketlerle bunu yapmak 35-37 bin yıl sürecektir. Önümüzdeki 50 yılda geliştireceğimiz füzyon roketleriyle ışık hızının yüzde 12’isine çıkıp Proxima Centauri’ye 35 yılda ulaşmamız mümkündür. Bu teknolojiyi de 60 yıl içinde geliştirebiliriz ama antimadde roketleriyle ışık hızının yüzde 70’ine çıkmak çok büyük bir iddiadır. Bunun doğruluğunu test etmemiz gerekiyor.

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

 

Neden antimadde roketleri?

Antimadde roketleri teorik olarak diğer bütün roketlerden, hatta elektron lazer darbeli nükleer füzyon roketlerinden bile daha hızlı gidebilir. Bunun nedeni antimadde ve maddenin temas edince birbirini tümüyle yok etmesidir. Bu yokoluş tepkimesinde antimadde ve madde neredeyse tümüyle enerjiye dönüşür. İşte bu yüzden antimadde motoru deneysel füzyondan bile daha çok enerji üretir.

Ne kadar enerji üretir derseniz: Yarım gram antimadde ve yarım gram maddenin yokoluşu (toplam bir gram m-am reaksiyonu) 21,5 kilotonluk nükleer bombaya eşdeğer olup bu patlamanın şiddeti de Hiroşima’ya atılan bombadan büyüktür. Düşünün ki 40 gr helyum 3 füzyonuyla 5000 ton kömüre eşdeğer enerji üretebileceğiz ve 1 gr antimadde bundan daha çok enerji üretecek. Oysa kontrolsüz güç güç değildir! Önemli olan antimadde roketiyle ne kadar enerji ürettiğiniz değil. Önemli olan enerjinin ne kadarını hızlanmaya çevirebildiğinizdir. Buna enerji verimliliği, yani güç üretimi diyoruz:

Örneğin güneş enerjisi yüzde 15-20, nükleer santraller yüzde 30-35, doğal gaz yüzde 33-42, rüzgar gülleri yüzde 35-45, kömür yakan termik santraller yüzde 37-47 verimlilikle çalışıyor. Henüz net enerji üreten ticari bir nükleer füzyon güç santrali kurmadık ama teorik olarak füzyon enerjisinin yüzde 80’ini elektriğe çevirmemiz mümkündür. Antimadde roketi verimliliği de yüzde 80’e çıkabilir.

Antimadde roketi ve füzyon

Yüzde 100 verimlilik ise termodinamiğin birinci ve ikinci yasası gereği imkansızdır: Birinci yasa gereği bunun için sonsuz yakıt gerekir ve ikinci yasa gereği motorunuz aşırı ısınır. Kısacası ya yeterli yakıt bulamazsınız ya da motorunuz erir. Bu noktayı antimadde roketleri için aklınızda tutun: Şimdi diyeceksiniz ki “Ama hocam, madem füzyon ve antimadde roketi eşit verimlilikte, neden füzyon roketleri en çok ışık hızının yüzde 12,5’ine ulaşırken antimadde roketleri yüzde 70’ine çıkabilecek? Bu soruyu da aklınızda tutun. Kısa cevabı antimadde gram başına daha çok enerji üretiyor:

İlgili yazı: 5 Soruda Paralel Evrenler

 

Antimadde roketi nasıl çalışıyor?

İleriki yazılarda anlatacağım gibi çok çeşitli antimadde roketi tasarımları var. Biz de konuya giriş yapmak için en basit iki tasarımı anlatacağız: 1) İçten yanmalı motorlar ve 2) Dıştan yanmalı motorlar… Birinci tasarım klasik roket motorunun bir benzeridir. Motora yakıt koyarsanız, yakarsınız, sıcak egzoz gazı üretirsiniz. Bunu roketin arkasından püskürtürsünüz ve Newton’ın etki-tepki yasası gereği egzoz da roketi ileri iter. Dıştan yanmalı rokette ise yakıtı ya dışarıda yakar veya dışarıda tekrar yakarsınız.

Bu kadar basit! Antimadde roketiyle ilgili tek basit nokta da bu zaten. Bundan sonra işler gittikçe zorlaşacak. Öncelikle Dünya’nın antimadde yakıtı üretme kapasitesine bakalım. Bu kapasite sıfırdır! 40 yılda hepi topu 3 orta boy kahve kupası, yani 40 gram kadar antimadde üretebildik. Bunu da yakıt olarak değil, Avrupa Nükleer Araştırmalar Merkezi (CERN) Büyük Hadron Çarpıştırıcısı ve Fermilab gibi hızlandırıcılarla bilimsel araştırmalar yapmak için ürettik. Peki maliyeti ne hocam derseniz sıkı durun:

1 gram antihidrojen atomu üretmek için 62,5 trilyon dolara ve 1 gram pozitron (anti elektron) üretmek de 22,5 milyar dolara mal oluyor! Bu durumda 40 gram antimadde üretecek parayı nereden bulduk derseniz onu da bulmadık. Parçacık hızlandırıcılarında saniyenin milyarda trilyonda biri için geçici olarak antimadde üretiyoruz o kadar. Örneğin Fermilab bugüne dek milyarda 15 gram ve CERN de milyarda 1 gram antimadde üretti.

Antimadde depolamak

Antimadde depolama teknolojimiz de yok ama 2002’den bugüne birkaç milyon antihidrojen atomu ürettik (1 antiproton çekirdek ve elektronun tersi 1 pozitron). Antimadde depolama rekorumuz ise 16 dakika 40 saniyedir. Bizden bu kadar! Antimadde yakıtı üretecek teknolojiyi geliştirene kadar antimadde roketi inşa edemeyiz. Ayrıca bu yakıtı güvenle depolamayı da öğreneceğiz. Rokete yakıt koyarken bulunduğunuz şehri nükleer patlamayla yok etmek istemezsiniz. 😉

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

 

Diyelim ki antimadde roketi yaptık

Bu roket nasıl çalışacak? Bunu anlatmak için 4,37 ışık yılı uzaktaki Alpha Centauri’ye gidecek olan bir antimadde roketinin ihtiyaçlarını belirlememiz gerekiyor: Hangi motoru kullanırsak kullanalım (içten yanmalı veya dıştan yanmalı) antimadde roketi her 1 kg’lık yararlı yükü ışık hızının yüzde 70’ine çıkarmak için toplam 1,9 kg’lık madde-antimadde yakıtı kullanacaktır (hidrojen-antihidrojen).

Birazdan göreceğimiz gibi dolu ağırlığı 1000 ton, boş ağırlığı 100 ton olan ISV Venture Star’ın Alpha Centauri’ye ulaşmak için 650 ton hidrojen ve antihidrojen taşıması gerekecektir (325 ton antimadde). Geri kalan 250 ton yük kapasitesi ise uzay mekikleri, 200 yolcu, 35 mürettebat, erzak, kargo ve yıldız sistemi içinde manevra yapmak için kullanılan darbeli füzyon motoru ile füzyon yakıtından oluşacaktır.

Bu roket 5,5 ay boyunca 1,5 g ile hızlanarak (yani 64 kg olan ben rokette olsam 96 kg geleceğim) 5,5 ay sonunda ışık hızının yüzde 70’ine çıkacak (0,7 c). 5,83 yıl uzayda sabit hızda gittikten sonra 1,5 g ile yine 5,5 ay fren yaparak yavaşlayacak ve Pandora’nın yörüngesine girecek. Pandora yörüngesinde 1 yıl kaldıktan sonra aynı sürede Dünya’ya geri dönecek.

Dolayısıyla Pandora’ya yolculuk 6,75 yıl sürecek ama ışık hızının yüzde 70’yle giderken gerçekleşen zaman yavaşlaması nedeniyle gemidekiler için 6 yıldan kısa bir süre geçmiş olacak. Bununla birlikte ISV Venture Star Pandora’ya antimadde roketleriyle gitmeyecek. Lazer yelkeniyle gidecek. Bunun için müthiş bir enerji gerekiyor.

İlgili yazı: İnternetinizi Uçuracak En İyi 10 Modem

 

Antimadde roketi enerjisi

Ay yörüngesinde bulunan dev lazer topları geminin burnunda yer alan ve iç yüzü Dünya’ya, yani geminin iç tarafına bakan özel bir aynaya ateş edecek. Lazer topları gemiyi 0,7 c’ye hızlandırmak için 130 teravat gücünde lazer ışını gönderecek! 😮

Elbette antimadde roketi 1 saniyede değil, 1,5 g ivmelenmeyle 5,5 ayda 0,7 c’ye çıkacak. Yoksa ani hızlanma mürettebatı öldürür ve gemiyi parçalar. Ayrıca Proxima Centauri’ye yaklaşırken 1,5 g ile yavaşlamak için 0,7 c’den hızlı gidemezsiniz. Giderseniz yıldızı ıskalamadan durmak için ışıktan hızlı yavaşlamanız gerekir ve bu da imkansızdır.

Bunun için ne kadar enerji gerektiğini de gösterelim: Işık hızının yüzde 70’yle giden 1000 tonluk bir geminin enerjisi 120 trilyon terajoule ve gemiyi bu kadar hızlandırmak için gereken güç kapasitesi ise 33,5 teravat saattir. Gemi Dünya’dan uzaklaştıkça lazer gücü azalacağı için ve termodinamik kayıpları da göze alırsak lazerlerin 130 teravat gücünde olması gerektiğini görüyoruz. Gemi Dünya’dan ışık hızına yaklaşarak uzaklaşırken lazerin ışığı gemiye göre kırmızıya kayarak ayrıca güç kaybedecek!

Karşılaştırma açısından Atatürk barajının gücü 2400 megavat ve yıllık güç üretim kapasitesi 8900 gigavat saattir. Sonuçta bir roketi hızlandırmak bankadan 30 yıllık konut kredisi kullanmak gibidir. Banka önce evin bedelini değil, kredinin faizini alır ki vadeniz uzasın, faiziniz artsın ve bankaya köle olun. Corona kriziyle kredi kartı ekstrenizi 3 ay ötelerseniz bankanız önce faizi tahsil edecektir. Dahası banka size kendi parasını değil, repoda işlettiği sanal parayı kredi olarak verir. 😉

Roketler de böyledir

Roketi sıfırdan hızlandırmak için üreteceğiniz enerjinin neredeyse tamamı roketin hızlanmaya direncini (eylemsizlik) kırmaya harcanacak. Ancak gemi hızlanmaya başladıktan sonra enerjinin daha büyük kısmı aracı hızlandırmakta kullanılacak. Tıpkı denizde giden bir geminin motor gücünün yüzde 60’ının dalgayı yarmaya ve sadece yüzde 40’ının hızlanmaya harcanması gibi.

İlgili yazı: Personel Taşıyıcı Dragon Kapsülü Uzaya Fırlatıldı

 

Peki neden lazer yelkeni?

Antimadde roketi yakıt tüketimini azaltmak için: ISV Venture Star lazer yelkeniyle Pandora’ya gidecek ve gidiş yönünün tersine bakan antimadde motorlarını 5,5 ay ateşleyerek yavaşlayacak. Pandora’dan dönerken ise antimadde motorlarıyla hızlanacak ve bu kez geminin Dünya’ya gidiş yönünde, kıç tarafında açılan lazer yelkeninin dış yüzüne Dünya’dan ateşlenen lazer ışınlarıyla yavaşlayacak.

Burada lazer yelkenleriyle ilgili olarak çözmemiz gereken iki sorun var: 1) Bu yelken ışığın yüzde 99’unu yansıtan bir süper ayna olmalı. Yoksa lazerler yelkeni itmek yerine yakıp deler. Bu aynayı yeni keşfedilecek özel bir maddeden üretmemiz gerekecek.

2) 650 ton yakıt sadece tek yönde kullanılıyor, yani geminin dönüş yakıtını Pandora’dan alması gerekiyor. Bu durumda Pandora’daki üssün her yıl gelen gemiler için yılda 325 ton antimadde üretmesi gerekecek. İnsanların 4,37 ışık yılı uzağa 6 yılda sadece 250 ton yararlı yük gönderebildiğini düşünürsek Pandora’da antimadde rafinerisi kurmak için antimadde üretiminin çok basit ve ucuz olması gerek.

Her şeye rağmen Pandora yörüngesinde dev lazer topları inşa etmek, Pandora yüzeyinde dev bir antimadde fabrikası kurmaktan daha pahalı olabilir. Özellikle de gemiden gezegene yük ve insan taşıyan mekiklerin uzayda inşaat için yeterli olmayacağını düşünürsek. Bu bağlamda her geminin kendi mekiklerini getirmesi ve Pandora üssünün de iki yedek mekik barındırması daha güvenli olacaktır.

İlgili yazı: Ay’a Gitmedik Komplo Teorilerini Çürüten 10 Kanıt

 

Antimadde roketi nasıl hafif olur?

Birinci hileyi söyledik: Lazer yelkeni ile geminin taşıması gereken yakıtı yarı yarıya azaltıyoruz. Ayrıca dönüş yakıtını Pandora’dan yükleyerek yüzde 50 daha azaltıyoruz. İkinci hile geminin yapımında karbon nanotüpler kullanmaktır. Bunun detaylarını uzay asansöründe bulabilirsiniz; ama özetle karbon nanotüpler çelikten 100 kat sağlam ve 4 kat hafiftir. Demek ki karbon nanotüpten üretilecek bir gemi çelikten gemiden 400 kat hafif olabilir.

Tabii anti madde roketinin tamamı karbon nanotüpten üretilmeyecek. Yük ve kargo bölmesi çelikten hafif ama nanotüplerden ağır kompozit malzemelerden üretilecek. Yakıt tankları ise muhtemelen çelik olacak. Karbon nanotüpler ise resimde gördüğünüz gibi geminin Eyfel kulesi gibi gözenekli omurgası ve iskeletini imal etmekte kullanılacak. Ayrıca güçlü bir kablo üretmek için binlerce karbon nanotüpü sararak kalınlık ve ağırlığı artıracağız. Molekül kalınlığındaki bir kablo hemen kopar, gemiyi taşımaz.

Dolayısıyla yolculuk sırasında oluşacak yüksek sıcaklığa ve uzayın soğuğuna dayanmak üzere mucize materyallerden üretilecek bu geminin aynı boydaki çelik gemiden sadece 15 kat hafif olması mümkündür. Eyfel kulesi gibi gözenekli iskeleti geminin ağırlığını azaltacaktır. Bu bağlamda ISV Venture Star hacminin, yakıt tankları dahil Nimitz sınıfı bir uçak gemisinin 3-4 katı olduğunu varsayıyoruz. Buna rağmen 1000 ton ağırlığında olup gidiş-dönüş 650 ton antimadde tüketecektir! 😮

Yeri gelmişken geminin parçalarını da sayalım: Komuta modülü, yapay yerçekimi kolları, yük ve yaşam modülü, uzay mekikleri, gövde iskeleti, yakıt tankları, gidiş dönüş radyasyon-mikrometeor kalkanları, lazer yelkenleri, antimadde ve füzyon motoru vb. Peki bu gemi 0,70 c ile giderken kozmik radyasyondan nasıl korunacak? Özel kalkanlar sayesinde:

İlgili yazı: Evrende Zaman Akışı Yavaşlıyor mu?

 

Antimadde roketi ve koruyucu kalkanlar

Işık hızının yüzde 70’i ile gidiyorsanız uzayda karşınıza çıkan tek bir hidrojen atomu bile gemiyi delen mermi etkisi yaratacaktır. Ayrıca ölümcül Çerenkov radyasyonu oluşacaktır. ISV Venture Star baş tarafında ve kıç tarafında birer adet katlanabilir radyasyon kalkanı taşıyor. Bunlar birbirinden 60 metre aralıklarla ayrılan 4 katmandan oluşuyor.

Her kalkan Çerenkov radyasyonu, toz taneciği, mikrometeor ve atomik darbelerle aşınacaktır. Aynı zamanda sert nötron radyasyonu nedeniyle yavaş yavaş radyoaktif hale gelecektir. Aralıklarla yerleştirildiğinde gemiyi mikrometeor ve şarapnel yağmurundan daha iyi koruyacaktır. Katmanlar arasındaki mesafe kalkanlardan yayılan radyasyonu da azaltacaktır.

Geminin baş tarafındaki kalkanın iç yüzeyi ve kıç tarafındaki kalkanın dış yüzeyi de lazer yelkeni (ayna) görevini görüyor. Yıldızlararası yolculuk için çözmemiz gereken ne kadar çok sorun olduğunu görüyor musunuz? Öyleyse mürettebatın bu gemide nasıl yaşayacağını da anlatalım. Uyuyarak:

İlgili yazı: SpaceX Şirketi 2023’te Ay’a İnsan Gönderecek

 

Yapay kış uykusu

Yıldızlara giden gemilerde insanları dondurup hayata döndürmenin bir yolunu bilmiyoruz. Ayrıca derin dondurma sistemleri de geminin ağırlığı ve enerji tüketimini artırıyor. Bu nedenle filmde anlatıldığı gibi insanları dondurmak yerine mürettebat ve yolcuları yapay kış uykusuna yatıracağız. Bu durumda insan vücudu radyasyona daha dayanıklı olacak, yiyecek-içecek-oksijen tüketimi azalacak.

Ancak, sindirim sisteminin körelmemesi için özel çözümler geliştirmek gerekecek. Uzayda 5,5 yıl kadar yerçekimsiz ortamda kalacak olan insanlarda kas ve kemik erimesini önlemek için uyku sırasında dokuları canlı tutan bir sistem geliştirmemiz şart olacak. Bu sorunları çözmeden komşu yıldızlara insan göndermemiz imkansızdır. Şimdi gelelim mürettebat sorununa:

İlgili yazı: Yapay Zeka Nedir ve Nasıl Çalışır?

 

Antimadde roketi ve mürettebat

ISV Venture Star’da 20 aylık vardiyalar halinde çalışacak olan 15 kişilik bir mürettebat olacak. Her seferinde 5 kişi uyanık olacak ve gidiş yönüne göre geminin baş veya kıç tarafındaki mürettebat modüllerinde çalışacak. Her ekip gidiş veya dönüş yönünde sadece bir kez uyanık kalıp çalışacak. Büyük olasılıkla mürettebat uyku odaları yolcu sistemlerinden bağımsız ve arızaya karşı üç yedekli olacak.

Mürettebat modülleri hızlanma ve yavaşlama ayları hariç yaklaşık 5,5 yıl boyunca yapay yerçekimi üretecek. Modüller bir direğin iki ucunda yer alacak ve direk pervane gibi dönerek Dünya yerçekiminin üçte biri kadar yerçekimi üretecek. Gemi Dünya’ya ters yönden gideceği için aracın hem baş hem kıç tarafında silindir şekilli ikişer mürettebat modülü olacak.

Şunu da eklemek gerek: Yolculuk sırasında yıldız gemisi normalden yoğun gaz ve toz bulutlarına denk gelirse kalkanlar hızla aşınacak ve radyasyon artacaktır. Bu durumda mürettebatın radyasyon sığınaklarında yaşaması gerekecek. Radyasyon sığınaklarında uzun süre yaşamak ve çalışmak mümkün olmadığından hem radyasyon zırhları giyecek hem de antiradyasyon ilaçları kullanacaklar.

Bu noktada en pratik çözüm dinlenme saatlerini geçirecekleri yatakhaneleri sığınak yapmaktır. Ayrıca dönüş yolculuğunda gerekecek yiyecek-içecek-oksijen ve benzerinin de Pandora’dan yüklenmesi gerekiyor. Geminin sınırlı yük kapasitesi nedeniyle dönüş erzakını Dünya’dan getirmesi imkansızdır. Şimdi merakla beklediğiniz asıl konuya gelelim: Antimadde motorları nasıl çalışıyor?

İlgili yazı: Neden Mars’ta Koloni Kuramayız?

 

Dıştan yanmalı antimadde roketi

Ana çizimde görüldüğü gibi ISV Venture Star gemisinin iki antimadde motoru var. Bu motorlar yakıt olarak hidrojen ve antihidrojen kullanıyor. Önce madde ve antimaddeyi karıştırarak yanma odasının içinde yakıyor. Ardından sıcak egzozu uzaya püskürtüyor. Peki bu motor yüksek ısıda erimeden sağlıklı çalışabilir mi? Bunu anlamak için motorun ne kadar ısındığına ve egzoz sıcaklığına bakalım:

İki antimadde roketi toplam 150 bin metrekarelik yanma yüzeyine sahip iki egzoz plazmayı jetinde ve 1 saniyede Dünya gezegeninin 2730 kilometrekarelik alanda Güneş’ten aldığı enerjiye denk enerji üretiyor. Plazma jeti 15 milyon derecelik Güneş çekirdeğinden 18,2 milyon kat sıcak yanıyor (273 milyon derece). Antimadde roketleri hızlanma ve yavaşlama sırasında ve 5,5 ay boyunca bu kadar sıcak egzoz üretecek (jet uzunluğu 30 km ama ısınma açısından sadece gemiye yakın kısmını dikkate alıyoruz).

Elbette bunun yerine yazının başında belirttiğim gibi içten yanmalı bir antimadde roketi kullanabiliriz. Bunun nasıl çalıştığını kısaca açıklayalım: İçten yanmalı saf antimadde roketinde proton ve antiprotonları çarpıştırarak yok ederiz. Bu süreçte gama ışınları (aşırı enerjik fotonlar), nötrinolar ve pion parçacıkları açığa çıkar. Pionlar geçici olarak bir araya gelen 1 yukarı kuark ve 1 aşağı kuarktan oluşur. Bunlardan herhangi biri antikuark olabilir.

Pionlar pozitif yüklü parçacıklar olduğu için bunları manyetik alanlar yardımıyla motordan dışarı püskürterek itiş gücü üretebiliriz. Gama ışınları ise manyetik alandan etkilenmez. Bunları motoru eritmemesi ve ölümcül radyasyona yol açmaması için gemiden atmanın bir yolunu bulmalıyız. Gama ışınlarını pionlara yönlendirerek egzoz çıkış hızını artırıp az enerjiyle daha hızlı gitmek mümkün olabilir:

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

 

Pozitron antimadde roketi

ISV Venture Star antimadde roketleri pion plazmasını egzoz olarak püskürterek çalışıyor ama pozitron antimadde motorları da var: Bunların yanma odasında elektron ve pozitronları çarpıştırarak yok edebilir ve büyük miktarda gama ışını üretebiliriz.

Ancak, gama ışınları manyetik alanlardan etkilenmez dedik. Ayrıca gama ışınlarını yansıtan bir ayna yoktur. Oysa gama ışınlarını yansıtamazsak gama radyasyonu mürettebatı öldürür. Sonuçta gama ışınları çok enerjik olduğu için gemiyi oluşturan maddenin içinden hayalet gibi geçecek ve yaşam alanlarına ulaşacaktır.

Gama ışınlarının büyük kısmı geminin içinden geçecektir ama küçük bir kısmı da yanma odası duvarlarına ve geminin gövdesine çarpacaktır. Böylelikle gemide foton boyunda delikler açıp motorları aşırı ısıtarak buharlaştıracaktır. Bu durumda radyasyon sıcaklığı 100 milyon dereceye ve motorun yanma odası sıcaklığı da 380 bin dereceye ulaşacaktır.

Pozitron antimadde motoru saniyede 2100 sievert radyasyon üretir. Düşünün ki 80 sievert insanları 1 saniyede komaya sokar ve 24 saatte öldürür. Çernobil kazasındaki açık reaktör bile ilk anda sadece (!) 630 sievert/saat radyasyon üretiyordu. Demek ki ISV Venture Star’ı 0,7 c’ye hızlandırmanın en iyi yolu, filmdeki gibi nispeten az radyasyon üreten pion antimadde roketi kullanmaktır.

İlgili yazı: Uluslararası Uzay İstasyonu 15 Yaşında

 

Antimadde roketi verimliliği

Toparlayacak olursak: Pozitron antimadde roketleri yüzde 70-80 verimlilikle çalışır. Bunlarla daha ağır yükleri ışık hızının yüzde 70’ine çıkarabiliriz. Üstelik pozitron üretmek antihidrojen üretmekten kolay ve ucuzdur (depolamak daha zor olabilir). Oysa elektron-pozitron yokoluşuyla çalışan antimadde motorları çok sıcak olur ve çok fazla radyasyon üretir. Mini pozitron roketiyle el kadar robot sondaları yakın yıldızlara göndermek mantıklıdır ama insanlı uçuşlar için pion antimadde roketi gerekir.

Pion antimadde motorlarını pionları manyetik alanlarla uzaya parçacık ışını halinde püskürterek hızlandırırız. Öyle ki ISV Venture Star’ın 100 milyon derece sıcaklığında ve 30 km uzunluğunda olan çift plazma jetini egzoz plazmasından ziyade parçacık ışını olarak düşünmek daha doğru olur. Işık hızının yüzde 70’ine ulaşan plazma jeti lazer ışını gibi davranır.

Oysa pion motorları da motor eritip insan öldüren gama ışınları üretecektir. Neyse ki Almanlar 2012 yılında gama ışınlarının kırılma endeksinin sanılandan büyük olduğunu buldular. Belki motorun ürettiği kuark-gluon plazmasını (pionları) bir tür kuantum sis bulutu olarak kullanabiliriz. Bildiğiniz gibi sis ışığı dağıtır ve yayılma hızını azaltır. Kuantum sis bulutu da gama ışını aynası gibi çalışabilir.

Kuantum sis bulutu gama ışınlarını kısmen emer (soğurur) ve enerjisini manyetik alanlardan etkilenen pionlara aktarmayı sağlar. Gama ışını frekansını azaltabilirsek bunları egzozdan çıkan pionlara yönlendirerek plazma jetini daha da ısıtabilir ve hızını artırabiliriz. O zaman antimadde roketleri daha az yakıtla daha güçlü bir egzoz üretebilir. Bu, motorun çalışma sıcaklığını azaltmasa da yakıt tüketimini azaltacaktır. Gama fotonlarının momentumunun yüzde 30’unu bile pionlara aktarsak kârdır. 😉

İlgili yazı: İnternette teknik takip ve gözetimi önleme rehberi

 

Antimadde roketi ne kadar gerçekçi?

Bugün antimadde roketi geliştirmek üç sebeple çok zordur ve bunları zorluk derecesine göre sıralayacak olursak: 1) Büyük miktarda ucuz antimadde üretmek ve depolamak, 2) Gama ışını aynası üretmek ve 3) Patlamadan çalışan antimadde roketi üretmek. Oysa bu sorunları çözsek bile ISV Venture Star’ı pion antimadde motoruyla ışık hızının yüzde 70’ine çıkaramazdık!

Kısacası ISV Venture Star bilimkurgu sinemasının en gerçekçi yıldız gemisidir ama gerçek olacak kadar gerçek değildir. Evet, gama ışını aynası ile geminin ürettiği radyasyon miktarını ve motor sıcaklığını azaltabiliriz ama bu gemiyi korumaya yeterli olmaz. Gerçi filmin danışmanlığını yapan bilim insanları bu sorunu çözmek için iki yol önerdiler ve bunları filmde izledik:

Öncelikle antimadde roket çanları (egzoz çıkışları) geminin uzunlamasına ekseninden birkaç derece açıyla dışarıya, uzaya bakıyor. Böylece 100 milyon derecelik plazma jetinin gemiyi eritmesini engelliyor. Gama radyasyonunun bir kısmının da gemiye yansımasını önlüyor. Karşılığında egzoz jet hızı ve dolayısıyla motor verimliliği biraz azalıyor.

İkinci olarak yaşam ve kargo modülleri radyasyondan korunmak için 1500 metre uzunluğundaki geminin baş tarafında yer alıyor. Ayrıca modüllerin iki yanında ve geminin arka tarafında yine iki yanda ısı-radyasyon kalkanları bulunuyor. Buna rağmen filmdeki teknolojiler yeterli değildir. Neden derseniz:

İlgili yazı: Kepler Dünya’ya En Çok Benzeyen Gezegeni Buldu

 

Antimadde roketi verimliliği

Pion antimadde roketinin verimliliği yüzde 23’tür, yani ürettiği enerjinin sadece yüzde 23’ü ile hızlanabilirsiniz. Bu da yakıt tüketimini artırır (geminin toplam ağırlığının 650 tonu yakıt ve yarısı antihidrojen olacak!). 200 yıl sonra olsa bile, filmdeki 12 geminin her biri için Dünya ve Pandora’da yılda 325 ton antimadde üretip depolayacak kapasiteye sahip olabileceğimizi sanmıyorum:

Plazma jetini gemiyi yakmadan uzaya püskürtmek için süper güçlü manyetik alanlar üretmek gerekecek. Bunlar enerji gereksinimini, dolayısıyla yakıt tüketimi ve ısınmayı artıracaktır. Geminin ağırlığını da artıracaktır. Üstelik bu manyetik alanları normal mıknatıslarla değil, ancak mutlak sıfıra kadar soğutulan süperiletkenlerle üretebiliriz. Gerçi gittikçe daha yüksek sıcaklıklarda süperiletkenler üretiyoruz ve gelecekte bu sorunu kısmen çözebiliriz ama tamamen çözemeyiz.

Nitekim filmde Pandora’ya gitmenin tek sebebi gezegenden oda sıcaklığında çalışan süperiletkenler çıkarmak ve böylece uzay gemilerinin ağırlığını 7-8 kat azaltmaktır. Her durumda tekrar ediyorum: Mucizevi materyallerle bile pion antimadde motoru 0,7 c’de kullanamayacağımız kadar sıcak ve radyoaktif olacaktır. İçten yanmalı antimadde motorlarıyla bırakın 1000 tonluk bir gemiyi, el kadar mini robotu bile ışık hızının yüzde 70’ine çıkarmak imkansızdır. 1) Yakıt yetmez, 2) motor erir.

Peki antimadde roketi tümüyle imkansız mı? Tabii ki hayır. 100 yıl içinde 1000 tonluk bir uzay gemisini en yakın komşu yıldız Proxima Centauri’nin Dünya benzeri iki gezegenine ve en yakın yıldız sistemi Alpha Centauri’ye gönderebiliriz. Şimdi bilimsel olarak en gerçekçi antimadde roketini görelim. Bunun için ISV Venture Star’ı temel alarak küçük ama önemli değişiklikler yapacağız:

İlgili yazı: SpaceEngine Gerçek Uzay Simülasyon Oyunu

 

En gerçekçi antimadde roketi

1) Antimadde roketlerini içten yanmalı nükleer füzyon roketleriyle değiştiriyoruz. Böylece motor çalışma ısısı 2,76 kat azalıyor ve dışarıya sadece 100 milyon derece sıcaklığında hidrojen plazması püskürtüyoruz. Geminin içinde gama ışınları üretilmediği için gama ışınlarıyla ilgili ısınma ve radyasyon sorunu tümüyle ortadan kalkıyor. Daha zayıf manyetik alan kullanıyoruz ve enerji gereksinimi azalıyor.

2) Helyum 3-Helyum 3 füzyonu kullanarak sert nötron radyasyonunu sıfırlıyoruz; çünkü bu reaksiyon serbest nötron üretmez. Dolayısıyla radyasyon saçmaz ve motoru da zamanla aşındırıp radyoaktif hale getirmez. Helyum 3’ü 200 yıl sonra Ay’dan çıkarmaya bile gerek yok. Uranüs’ten hortumlarız.

3) Bunun karşılığında yıldız gemisinin hızı ışık hızının yüzde 12’sine düşer (ilk modellerin yüzde 5-8’inden daha hızlı gidemeyeceğini sanıyorum, ama ışık hızının yüzde 12’sine çıkmak için elektron lazer darbeli füzyon roketi kullanabiliriz).

4) Plazma jeti motordan çıkar çıkmaz içine az miktarda antihidrojen püskürtürüz. Bu da egzoz plazmasını tıpkı ses hızını aşan bir savaş jetinin artyakma sistemi gibi tekrar yakar. Böylece plazma jetini geminin dışında ısıtarak hızlandırır ve motoru aşırı ısıtmadan ışık hızının yüzde 15’ine çıkarız. Bu yöntemle en yakın yıldıza 30 yılda gidebiliriz. Daha hızlı ve güvenli bir roket imkansızdır.

İlgili yazı: Zamanda Yolculuk Etmenin 9 Sıra Dışı Yolu

 

Yeni antimadde roketi nasıl çalışıyor?

Önerdiğim roketin teknik adı nükleer füzyon/madde-antimadde hibrit katalizör artyakıcılı motordur. Dıştan yakma aşaması artyakıcıya, katalizör kısmı antimaddeye ve hibrit kısmı da füzyon motoru kullanılmasına karşılık gelir. Orijinal lazer yelkeni de kullanılacaktır. Bu geminin yakıtı 200 ton hidrojen ve 10 ton antihidrojenden oluşur. Daha yavaş giden bu gemi tabii ki daha az yakıt taşıyacaktır.

Bu durumda 1000 tonluk geminin yararlı yük kapasitesi 790 tona çıkar veya geminin orijinal yük kapasitesini koruruz. O zaman 100 ton boş ağırlık, 250 ton yük ve yalnızca 160 ton yakıtla karşımıza çok daha hafif bir gemi çıkar. 510 tonluk bu hafif gemiyi belki ama sadece belki ışık hızının yüzde 18’ine kadar hızlandırmak mümkün olabilir. O zaman Proxima Centauri’ye 24 yılda gideriz. 😊

Şunu da ekleyelim: Roket motorlarının çalışma yönüne göre geminin kıç tarafında değil, baş tarafında olduğuna dikkat edin! Bunun nedeni geminin 1,5 g ile 2 ayda ışık hızının yüzde 15’ine hızlanırken ezilmesini önlemektir. Motorlar kıç tarafta olsa gemiyi iterken soda kutusu gibi ezerdi. Bu durumda ise motorlar gemiyi itmiyor. Önden traktör gibi çekiyor!

Keza geminin sadece 2 ayda maksimum hıza çıkacağına dikkat edin; çünkü 0,7 c ile gitmeyecek. Bu da Dünya’dan gemiyi itecek lazer ışınlarının daha düşük kapasiteli ve ucuz olmasını sağlayacak. 😉 Peki komşu yıldızlara gitmenin daha hızlı bir yolu var mı? Teorik olarak warp sürüşü ile ışıktan hızlı yolculuk edebiliriz ve o zaman galaksiyi Uzay Yolu dizisindeki Atılgan yıldız gemisiyle keşfetmemiz mümkün olur. Gerçi bunun için negatif kütle gerekiyor ama kim bilir? Belki yeni bir fizik buluruz. Bilimi merak edin.

ISV Venture Star

¹ISV Venture Star
²The physics of avatar
³Revisiting Proxima with ESPRESSO
⁴Antimatter Fuel
⁵How do we turn nuclear fusion energy into electricity?