Astronotlar İçin Van Allen Kuşağı Radyasyon Kalkanı

Bilim insanları Ay ve Mars’a gidecek astronotların Dünya’nın radyasyon kemeri olan Van Allen Kuşağından güvenle geçmesi için radyo dalgası kalkanı geliştiriyor. Van Allen Kuşağı, Dünya atmosferini koruyan manyetik alanın güneş rüzgarıyla gelen yüklü parçacıkları tuzağa düşürmesiyle oluşuyor. Nitekim bugüne dek tehlikeyi önlemenin tek yolu astronotların Ay’a giderken kuşaktan hızla geçmesiydi. Hızlı geçişle açık uzaya çıkmak bedende radyasyon hasarını azaltıyor ve elektronik donanımı kısa devreden koruyor ama artık radyo dalgası kalkanı geliyor. Peki kalkan nasıl çalışıyor?

Van Allen Kuşağı nedir?

Ay’da helyum 3 çıkarmaya ek olarak asteroit madenciliği, uzay turizmi ve SpaceX’in Mars’a insan gönderme planı gibi nedenlerle insanlı uzay yolculukları 5 yıl içinde yaşamın ayrılmaz parçası olacak. Uzaya insan göndermenin uzay istasyonuyla sınırlı olmaktan çıkıp yaygınlaşmasıyla insan sağlığını koruma çabaları da hız kazanacak. NASA ve diğer uzay ajansları yerçekimsiz yüksek radyasyon ortamında vücudun zarar görmesini önlemek için türlü araştırma yaptı. Oysa bir tehlike var ki hızla ve güvenle önlem alınmasını gerektiriyor: Dünya’yı saran Van Allen Kuşağı.

Van Allen Kuşağı Çernobil nükleer kazasının ilk günleri kadar öldürücü radyasyon yaymıyor ama insanların bu kuşakta bir gün geçirmesi bile kesinlikle öldürücü olacaktır. Bütün bu nedenlerle bilim insanları astronot ve uzay araçlarını görünmez Van Allen kuşağından korumak için önlem alıyor. Biz de bu yazıda 1958’ten beri bildiğimiz ama maliyet optimizasyonu nedeniyle bugüne dek yatırım yapmadığımız radyo dalgalarını inceleyeceğiz.

1958’de Sovyetler Birliği’nden sonra uzaya ilk aracını gönderen NASA Van Allen Kuşağını keşfetti. ABD’nin ilk uydusu uzaya çıkarken kozmik ışın algılayıcıları gezegenimizi saran güçlü bir radyasyon kemeri saptadı. Işınım o kadar yoğundu ki dönemin paranoyak kadroları bunun Sovyetler Birliği’nin yaptığı bir nükleer deneme olduğunu sandılar ama kısa sürede doğal olduğunu anladılar.

Doğal derken Dünya’nın yandan bakınca şekli uzun kuyruklu su damlasına benzeyen bir manyetik alanı vardır. Uzun kuyruklu olmasının nedeni karşıdan esen güneş rüzgarının soğan kabuğu gibi çok katlı manyetik alanlardan oluşan bu alanı tıpkı kuyrukluyıldız kuyruğu gibi geriye üflemesidir.

Ölümcül olduğu kesin

Oysa manyetik alanın içinde iç içe geçmiş iki kalın simide benzeyen Van Allen kuşakları var. İç kuşak yerden 650 km ve dış kuşak da 60 bin km yüksekte, yani 36 bin km’lik yersabit yörüngenin çok üstünde yer alıyor. Radyasyon derken her ne kadar nükleer patlama düzeyinde olmasa da 3000 km yükseklikte 465 mSv/saatten söz ediyoruz. 4,5 Sievert anlık dozun yetişkin sağlıklı bir erkeği iki gün içinde öldüreceğine ve Çernobil’in ilk günlerinde açık reaktörün saatte 630 Sievert radyasyon yaydığına dikkat edersek gerçeği görürüz. Van Allen kuşağı günde 11 Sv radyasyon yayıyor. Peki bunun kaynağı nedir?

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

 

Van Allen ve güneş rüzgarı

Adını onu bulan fizikçi James Van Allen’dan alan radyasyon kemerinin nedeni güneş rüzgarıdır. Güneş zaman zaman uzaya plazma bulutları ve kesintisiz olarak da tekil yüklü parçacıklar üflüyor. Bunlar alfa parçacıkları (helyum çekirdeği) gibi sert radyasyona yol açan parçacıklar ve ışık hızına yakın hızlarda giden negatif yüklü elektronlardır. Dünya’nın manyetik alanı radyasyonu büyük ölçüde kesiyor ama bazı parçacıklar manyetik alan içindeki simit şekilli kuşaklarda kalıyor.

Özellikle helyum çekirdeklerinden hafif olan elektronlar kiklotron radyasyonuyla kuşaklardaki güçlü manyetik çizgiler üzerinde hızlandırılıyor. Böylece çok düşük ve ultra düşük frekanslı radyo dalgalarına yol açıyor (VLF ve ULF). Kısacası Van Allen radyasyon kuşağı güneş rüzgarı parçacıklarının manyetik alan içinde simit şekilli bölgelerde tuzağa düşmesinden kaynaklanıyor.

Şansımıza Yeryüzünde güvendeyiz. İnsanlar 48 yıldır 420 km’nin üstüne pek çıkmadığı için uzay istasyonu vb. de güvenli ama Ay ile Mars’a gitmek için bu kuşaklardan geçmek şart. Ayrıca Van Allen Kuşakları 650-60 bin km arasında az ya da çok kesintisiz radyasyon yayıyor.

Başta GPS ve telekom uyduları olmak üzere birçok uzay aracı değişen düzeyde radyasyona maruz kalıyor. Nitekim uyduların kalkanları olmasa elektronlar aracın içinde birikip aniden boşalarak elektronik sistemleri yakıp kavurabilir. Bu da bilgisayarlarda yıldırım çarpmasına benzer bir etki yaratacaktır.

Mars için gerekli

Normalde mühendisler uyduları metal zırha sarıyor ama bu uyduyu ağırlaştırarak fırlatma maliyetlerini artırıyor. Aynı şey insan taşıdığı için yaşam destek sistemleri, oksijen-su tankları ve erzak depolarıyla baştan ağır olan uzay araçları için de geçerli. Özellikle de uzun mesafeli Mars yolculuğunda metal kalkanlar uzay gemilerini ağırlaştırarak yavaşlatacaktır. Öte yandan Van Allen kuşağında iyonize edici radyasyona yol açan yüksek hızlı elektronları temizlersek problemi büyük ölçüde çözmüş oluruz.

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

 

Van Allen radyo kalkanı nasıl korur?

Van Allen kuşağı hakkında bilgi verirken neden VLF radyo dalgalarına değindiğimi merak etmişsinizdir. Bunun nedeni çok düşük frekanslı dalgaların sudan havaya geçen tek frekans bandı olması. Bu da nükleer füze denizaltılarının sualtından haberleşmesini sağlayan biricik dalgalar olması demek. İşin ilginci VLF dalgaları enerjik değil. Öyle ki zararsız olmanın yanında Van Allen kuşağında zaten çok yüksek hızda dönen elektronları biraz daha hızlandıracak olan bardağı taşıran damla etkisi yapıyor.

VLF dalgaları elektronların Van Allen kuşağından kaçıp uzaya çıkacak kadar hızlanmasını sağlıyor. Uzay araçlarını saran görünmez bir radyo dalgası köpüğü olarak çalışıyor. Böylece kompresörle kirli yüzeydeki tozları uzağa üfler gibi elektronları uzay aracının önünden süpürüyor.

Peki bunu nereden biliyoruz? Uydularımıza daha önce VLF kalkanı takmadık ama VLF’nin elektronlar üzerindeki etkisini güneş fırtınalarından biliyoruz. Dünya’nın manyetik kalkanını aşırı yükleyen parçacıklar İç Van Allen kuşağının Dünya’ya çok yaklaşmasını sağlıyor.

Öyle ki radyo istasyonlardan gelen VLF dalgalarının Van Allen kuşağını öteleyerek uzaya üflediğini gördük. Böylece radyo dalgası kalkanlarını test etmeye başladık. 2008’de iç kuşaktaki elektron yoğunluğunu ölçen bir uydu fırlatıldı. Yeni uydu Avustralya’da deney amacıyla tam kapasite çalışan büyük bir antenin güçlü radyo yayınlarının, elektronları uzaya süpürerek radyasyonu azalttığını tespit etti. Oysa bu iş o kadar basit değil; çünkü Hawaii’deki başka bir anten hiç etkili olmadı. Peki neden?

İlgili yazı: 5 Soruda Paralel Evrenler

 

Van Allen ve hava durumu

Fizikçiler yer bazlı radyo dalgalarının araya giren atmosfer nedeniyle Van Allen Kuşağını pek etkilemediğini düşünüyor. Oysa VLF kalkanları uzay araçlarında düşük güçle, yakıt ve enerji tüketimini artırmadan kullanılabilir. Uzayda radyo dalgalarını zayıflatan hava olmadığı için bunlar daha etkili olacaktır. Bu bağlamda NASA Haziran 2019’da uzaya Tanıtlama ve Bilim Deney Uydusunu gönderdi.

ABD hava kuvvetleri tarafından geliştirilen küçük DSX uydusu Van Allen kuşaklarının içinde kalan Orta Dünya Yörünge aralığında (10-20 bin km) çalışarak VLF ile elektron temizliği yapacak. DSX boyundan beklenmeyecek 80 metre genişliğindeki dev anteniyle Dalga Parçacık Etkileşimi, Uzay Hava Durumu ve Çevresel Uzay Etkisi deneyleri yapacak. DSX şuanda 6000 km yüksekte VLF yayınları yapıyor ve bilim insanları ilk sonuçları 2020 yılsonunda bekliyor.

Diğer araştırmacılar ise farklı bir yoldan gidiyor: DSX’in tersine bu, uzay gemilerine takılabilecek kadar küçük ve güçlü olan bir güç alanı üreteci, VLF dalgaları yayacak olan bir mini elektron hızlandırıcısıdır. Gördüğünüz gibi saç telinden ince mikro parçacık hızlandırıcıları parçacık fiziğine ek olarak uzayda da işimize yarayacak. Bu deney seti de uzaya 2021’de gönderilecek.

Peki astronotları Mars yolculuğu sırasında radyasyondan nasıl koruyabiliriz? Onu da Astrorad antiradyasyon zırhında okuyabilir, Dünya’nın manyetik alanında zaman zaman açılan dev delikleri görebilir ve Dünya’nın manyetik kutuplarının pek yakında ters dönüp dönmeyeceğine bakabilirsiniz. Fırtınalı ve yağışlı günlerle Eylül serinliğinin kendini gösterdiği şu zamanda sağlığınıza dikkat ederek temiz havanın tadını çıkarmanız için güzel bir hafta sonu dilerim. 😊

Van Allen kuşakları

¹Cyclotron acceleration of radiation belt electrons by whistlers