Devridaim Makinesi Yapmak Mümkün mü?

Evrende bedava enerjiyle çalışan devridaim makinesi yapmak mümkün mü? Örneğin, boşluktan enerji çekip hiç yakıt kullanmadan sonsuza dek giden bir roket üretebilir miyiz? Aslında Casimir etkisi ile uzay boşluğundan enerji elde ediliyor. Bunun devridaim makinesine izin verip vermediğini görelim.

Faturasız hayatın mutluluğu

Sadece elektrik faturamızın dağıtım bedeline bakmak bile, bedava enerjiyle çalışan bir devridaim makinesi hayal etmeye yeterli. Yüzde 100 verimli çalışan makineler olsaydı, dünyanın enerji ihtiyacını karşılamak için küresel ısınmaya yol açan ve çevreyi kirleten fosil yakıtlar kullanmazdık.

Nitekim mucitler, Ortaçağ’dan beri enerjinin tümünü işe çeviren kusursuz devridaim makineleri geliştirmeye çalışıyor. Ancak Casimir etkisi hariç, fizik yasaları boşluktan enerji çekmeye izin vermiyor.

Yine de fiziğin temeli olan termodinamik yasalarını, hayatın kökenini ve kuantum mekaniğini anlamak için devridaim makinelerini görmek önemli. Böylece çok daha verimli makineler, otomobil ve bilgisayarlar geliştirerek küresel ısınma ile hayat pahalılığını azaltabiliriz.

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

 

Devridaim makinesi türleri

Bugüne dek tek yapılan deneylerde hiçbir devridaim makinesinin çalıştığı görülmedi; çünkü bütün devridaim sistemleri termodinamik yasalarını ihlal ediyor. Hatta bunları üç termodinamik yasasından hangisine aykırı olduklarına göre sınıflandırıyoruz:

Yasa 1: İzole sistemlerde enerji yoktan var edilemez veya yok edilemez. Bu yasayı ihlal eden makineler, çalışması için gerekenden daha fazla enerji üretiyor. Bedava enerji derken bir kastımız bu. Tıpkı bir otomobilin 1 litrelik benzinle ful depo kadar yol kat etmesi gibi… Ortaçağda tasarlanan ilk devridaim makinesi bu kategoriye giriyor.

Yasa 2: İzole sistemlerde entropi her zaman artar. Bu bağlamda entropiyi, iş yapmak için kullanamayacağımız enerji miktarının sürekli artması olarak tanımlayabiliriz. Bu tür devridaim makineleri entropiyi azaltarak termodinamiği dolaylı yollardan ihlal ediyor. Modern tasarımlar bu kategoriye giriyor.

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

 

Kimler ne tasarlamış?

Termodinamiği tam anlamayan öğrenciler, formel fizik eğitimi almamış mühendisler ve kötü niyetli şarlatanlar sürekli yeni devridaim makineleri tasarlıyor. Biz de heyecanlı ve eğlenceli bir bilim yolculuğuna çıkarak başlıca tasarımları görelim. Bunların neden çalışmadığını anlayıp bilimsel bilgilerimizi geliştirelim:

Tarihin net olarak belgelenmiş ilk devridaim makinesi 12. yüzyıldan kalma ve Hintli matematikçi Bhaskara tarafından tasarlandı. Bhaskara, bir çarkın kenarına cıva dolu tüpler bağlayarak tekerleği döndürmüş ve cıvanın ağırlık merkezinin değişmesiyle sürekli hareket eden bir makine yapabileceğini düşünmüştü.

Zamanla sonsuz hareket üreteceğine inanılan yeni modeller tasarlandı. Bunların günümüzdeki versiyonları ise tekerleğin kenarına takılmış olan oynar çubukların ucundaki ağır toplardan yararlanıyor.

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

 

Manyetik devridaim rampası

Ancak, en ilginç makine tasarımlarından biri, Wilkins’in 1600 yılında dizayn ettiği manyetik devridaim makinesi idi. Manyetik devridaim rampası olarak da adlandırılan sistemin nasıl çalıştığına gelince:

• Üstteki rampanın deliğinden aşağıya bir top bırakıyorsunuz.
• Bu top eğri kızaktan aşağı kayıyor ve hareketini sürdürerek (momentum) alt delikten üst rampaya çıkıyor.
• Ardından, dik rampanın yukarı ucundaki mıknatıs tarafından çekiliyor ve bu sürecin sonsuza dek tekrarlanması bekleniyor (Topu etkileyen manyetik kuvvet şemasını da ekledim).

Mucitler bunun dışında, kendi kendine dönen su ve rüzgar değirmenleri de tasarladılar; fakat bu makinelerin hiçbiri çalışmadı. Her seferinde, tasarımcının gözünden kaçan fiziksel bir etki sonsuz hareketi önledi.

İlgili yazı: Evrenin En Büyük Yıldızı UY Scuti mi?

 

Bhaskara neden başaramadı?

Bunun sebebi, Heisenberg’in belirsizlik ilkesi ve termodinamik yasaları uyarınca sistemdeki momentumun (hareketin) korunamaması:

Örneğin Bhaskara tekerleğinin tilt makinesine benzeyen versiyonunda, yuvarlak bir diskin içine eğri kızaklar takılıyor ve bu kızakların üzerine aynı boyla kütlede toplar yerleştiriliyor (ki yine belirsizlik ilkesine göre, bu topların birbirinin kusursuz kopyası olması imkansız).

Bu durumda, siz tekerleği çevirdiğinizde toplar tekerlek kenarına düşüyor ve böylece tekerleği sürekli döndürmeleri gerekiyor. Ancak, dönüş sırasında topların arasındaki mesafe de açıldığı için sistemin toplam eylemsizliği değişmiyor, yani harekete direnci azalmıyor. Bu da sonsuz hareketi önlüyor.

Dahası bu dengesizlik tekerleğin bazen geri dönmesine yol açıyor ve bu da sistemin yavaşlayarak durmasına neden oluyor (Zaten Bhaskara’nın buluşuna dengesiz çark diyoruz).

 

Wilkins neden başarısız oldu?

Tek topla çalışan rampa tasarımının, topları klonlamanın imkansız olmasından kaynaklanan yavaşlama sorununu çözmesi öngörülmüştü. Oysa bu kez de mıknatıs topu öyle güçlü bir şekilde kendine çekiyordu ki bu top, kızağın üstündeki delikten düşmek yerine, direkt mıknatısa yapışıyordu.

Bu olmasaydı bile, topun rampaya sürtünmesi ısınmaya yol açacak ve enerjinin gittikçe daha büyük bir kısmının atık ısı olarak ortama kaçmasıyla birlikte top zamanla duracaktı.

Su çarkları ve rüzgar değirmenleri de sürtünmeye bağlı ısınma yüzünden duracaktı. Bunlar ancak su aktığı ve rüzgar estiği sürece dönebilirdi.

 

Adil olalım

Ortaçağ’daki mucitler aptal değildi. Sadece devridaim makinesi yapmanın imkansız olduğunu bilmiyorlardı; çünkü termodinamik yasalarını bilmiyorlardı. Ancak, bir makinenin sonsuza dek hareket etmesi için enerji kaybını önlemek gerektiğini anlamışlardı ve bu süreçte, randıman kuralları olarak da tanımlayabileceğimiz termodinamiği geliştirdiler.

Oysa mucitler, termodinamik yasalarının 18. yüzyılın sonunda keşfedilmesinden sonra da çalışmalarını sürdürdüler ve bunun sebebi yine bilgisizlik. Termodinamiğin ikinci yasasına göre entropinin sürekli artacağını anlamayan meraklılar devridaim makinesi tasarlamaya devam ediyor.

İlgili yazı: İnternetinizi Uçuracak En İyi 10 Modem

 

Bu ne demek?

Bütün makineler enerji fazlalığıyla çalışır. Fazlalık derken makine ile ortam arasında enerji farkı vardır. Makine bu farkı kullanarak bir yerden başka bir yere enerji akışı sağlar ve böylece enerjiyi harekete, yani işe dönüştürür. Ancak sistemin toplam enerjisi değişmez.

Makineler sadece bir enerji türünü başka bir enerji türüne dönüştürerek çalışır. Örneğin buharlı trenlerin kazan ve piston sistemleri ısı enerjisini harekete dönüştürür ve işte bu yüzden buharlı trenler sonsuza kadar gidemez!

Kazan sıcaklığı sürekli kömür yakmadığınız sürece azalacaktır; çünkü hava sıcaklığı kazandan düşüktür ve dışarıdaki hava kazanı sürekli soğutacaktır. Öyle ki kazan sıcaklığı bir saatten sonra hava sıcaklığına eşitlenecektir. Makinelerin çalışması açısından entropi işte budur. Sıcaklık eşitlenince hareket durur.

İlgili yazı: Yapay Zeka Nedir ve Nasıl Çalışır?

Açık ve kapalı sistemler

Devridaim makinesi için kendi kendine çalışan kapalı sistemler, yani tümüyle izole makineler üretmek gerekiyor. Ancak bunu yapamazsınız: Bu kez de makinenin enerjisi zamanla makinenin içine eşit olarak dağılacaktır. Bunu önlemenin tek yolu dışarıdan enerji çekmektir (tekerleği itmek gibi).

Enerjinin sisteme tümüyle eşit olarak dağılması ise enerji akışının kesilmesi ve sistemin hareket kabiliyetini yitirmesi demektir: Örneğin rüzgar sıcak havadan soğuk havaya eser. Sıcaklık farkı olmazsa rüzgar kesilir.

İşte bu yüzden bir yelkenli yatın içine dev bir fan koyarak kendi rüzgarınızı üretip tekneyi ileri itemezsiniz. Öncelikle fanın ağırlığı teknenin hareket etmesini zorlaştırır. Dahası Newton mekaniği gereği her etki karşıt tepki yaratır.

Fan rüzgarının itiş gücü yelkenin geri itişiyle sıfırlanır ve dışarıdan rüzgar esmediği sürece bir arpa boyu yol alamazsınız. İnanmıyorsanız arabanızın vitesini düz yolda boşa alın ve aracınızı sürücünün koltuğuna otururken ileri itmeye çalışın. İtemezsiniz (Bkz. Yakıtsız Çalışan Devridaim Roketi EmDrive).

İlgili yazı: Biyonik Böbrek ile Diyaliz Derdine Son

 

Brown mandallı çarkı

Bunu anlamak için termodinamiğin ikinci yasasının sınırlarına bakalım ve Brown mandallı çarkını inceleyelim: Bu sistemde bir mile takılı pedallı çarkımız var. Milin bir ucunda pedal varken, diğer ucundaki kutuda mandallı çark bulunuyor.

Öte yandan kutunun içi ve dışında hava sıcaklığı aynı. Bu durumda Brown etkisi devreye girecek ve hava molekülleri hiç dışarıdan rüzgar esmeden, rastgele titreşimlerle kendiliğinden hareket edecektir (kuantum termometre olarak adlandırılan bu olguyu anlatacağım).

Her durumda kutudaki hava molekülleri çarkı döndürecektir. Tabii Bhaskara tekerleğinde olduğu gibi, çarkın ters yöne dönecek olması yüzünden sonsuz hareket gerçekleşmeyecektir. Oysa Brown düzeneğinde çarkın ters dönmesini önleyen bir mandalımız var. Bu kez sonsuz döngü sağlayabilir miyiz?

Hayır

Bizzat fizikçi Richard Feynman’ın gösterdiği üzere, bu sistem de ancak kutunun içi ile dışı arasında ısı farkı varsa çalışıyor. Yoksa dişli çark düz dönerken mandal normal olarak yukarı kalkar; ama tam bu sırada çark aniden ters dönebilir ve mandal yukarıda kaldığı için bu hareketi önleyemez. Mutlaka ters dönüş olacak ve bu da sonsuz hareketi engelleyecektir.

İlgili yazı: Kök Hücrelerle Körlük Tedavisi Ne Zaman Geliyor

 

Maxwell’in Cini

Brown pedallı çarkı, entropiyi tersine çevirmenin imkansız olduğunu gösteren en gelişmiş düşünce deneyi olan Maxwell’in Cini modelinin bir türü. Bu ilginç konuyu ayrı bir yazıda anlatacağım; ama önce, bugüne dek dizayn edilen en kusursuz devridaim makinesini, yani Carnot Döngüsünü görelim.

Sadi Carnot 19. yüzyıl başında gerçek bir devridaim makinesi geliştirmedi; ama teorik olarak en verimli makineyi tasarladı. Hiçbir makine bu kadar randımanlı olmasa da Sadi Carnot sayesinde, makinelerimizin sınırlarını bilerek gerçekten yüksek verimlilikli sistemler geliştirebiliyoruz.

Carnot Döngüsü, buharlı makinelerin çalışma prensibini ortaya koyan bir piston sistemidir. İdeal olmasının sebebi ise soğuk ve sıcak döngüsü arasında gidip gelen bir pistonun, her zaman eşit miktarda enerji çekmesi durumunda sonsuza dek çalışacağını öngörmesidir.

İlgili yazı: 10 Adımda kara deliğe düşen astronota ne olur?

 

Ancak dikkat edin!

Bu durumda makinemiz hiç ekstra enerji çekmiyor. Enerjinin tamamını sıcaktan soğuğa ve soğuktan sıcağa aktardığı için makinenin enerjiyi yararlı işe çevirecek enerjisi kalmıyor. İşte bu da üçüncü tür devridaim makinesidir, hayal edebileceğimiz en verimli ve tek gerçek devridaim makinesi.

Öyleyse termodinamiğin üçüncü yasasını yazabiliriz. Yasa 3: İzole sistemlerde enerjinin tamamını YARARLI işe çevirmek imkansızdır. Yoksa enerjinin tümünü yararsız da olsa işe çevirmek mümkündür. Örneğin atomlar kendi kendine rastgele titreşebilir; ama siz bundan iş üretemezsiniz.

Daha net bir ifade ile yüzde 100 verimli bir makine aslında bir tür devridaim makinesidir ve bu makineleri üretmek teorik olarak mümkündür ama bunlar hiçbir işe yaramaz; çünkü yararlı iş yapamaz.

Üçüncü yasayı ihlal eden devridaim makinelerinin, sisteme dışarıdan hiç enerji girişi olmadan sonsuza dek çalışacağı öngörülür (Bunu EmDrive yazısında anlatıyorum). Üçüncü yasaya göre bu imkansız olduğundan, Carnot Döngüsü gerçek dünyada sonsuza dek süremez.

İlgili yazı: SpaceX Mars’a Terleyen Yıldız Gemisi ile Gidecek

 

İdeal makineler

Gerçekten de Newton yasaları gereği, hareket eden bir cisim dışarıdan müdahale olmadıkça hareketini sürdürür. Peki, bir sistemdeki sürtünmeye bağlı ısı kaybını tümüyle engellerseniz (uzayda dönen sürtünmesiz tekerlek ve Güneş çevresinde sürtünmesiz devinen Dünya gezegeni gibi) sonsuz hareket üretebilir misiniz?

Hayır! Yukarıda belirttiğim gibi üretemezsiniz; çünkü bir sistemde sürtünmeyi kaldırmak YARARLI iştir. Bunun için de enerji kullanmanız gerekir ve enerjinin tamamını yararlı işe dönüştüremezsiniz.

Dünya’nın yörüngesi bile; başta Güneş’in kütlesindeki değişiklikler (uzaya gaz üflüyor!), diğer gezegenlerin yerçekimi, Ay çekimi ve zaman zaman da Güneş Sistemi’nin yakınından geçen yıldızların çekiminden etkileniyor. Öyle ki çok uzun bir süre sonra Dünya da yörüngesinden çıkacak.

Ayrıca Dünya, göktaşları ve yıldız tozu ile yılda 50 bin ton kütle kazanıyor ve çekirdeği soğurken dışarıya ısı veriyor. Isı bir enerji türü ve kütle de enerjinin bir özelliği olduğuna göre, Dünya’nın kütlesi zamanla değişiyor. YARARLI iş üreten bir devridaim makinesi üretemezsiniz.

İlgili yazı: Çin Ay’dan Helyum 3 Füzyon Yakıtı Getirecek

 

Mutlak sıfır

Devridaim makinesi için elimizde kusursuza yakın iki seçenek kaldı. Bunlardan biri kuantum termometre ve diğeri de Casimir etkisi. Bunları ilgili yazılarda detaylarıyla anlattım, ama burada özet geçmekte fayda var. Kuantum termometre ile başlarsak:

Bir atomu evrende mümkün olan en düşük sıcaklık olan mutlak sıfıra kadar (–273,15°) soğuttuğunuz zaman, o atom Heisenberg’in belirsizlik ilkesinde tanımlanan momentum belirsizliği nedeniyle rastgele titremeye başlıyor. Bu sebeple atomu daha fazla soğutamıyoruz.

Öyle ki bir an için evrende ısı soğuktan sıcağa akıyor, termodinamik yasaları tersine dönüyor ve atom yeniden ısınmaya başlıyor. Mutlak sıfıra ulaşan atomların kendiliğinden ısındığı bu olguya dairesel termometre veya kuantum termometresi diyoruz.

Entropiyi gazlar kinetiği ile tanımlayan Boltzman’ın gösterdiği gibi, bunun sebebi entropinin istatistiksel olması; yani evrende ısının sıcaktan soğuğa akmasının tek nedeninin, soğuk parçacıkların sayısının sıcak parçacıklardan fazla olması. Tersi olsa ısı soğuktan sıcağa akardı.

Peki devridaim makinesi mi?

Hayır: Kuantum termometre kendiliğinden enerji üretebilir ve siz de bu bağlamda, atomların rastgele titreşimlerini iş olarak nitelendirebilirsiniz. Ancak, kuantum termometre YARARLI iş üretemez. Bu nedenle istediğimiz anlamda bir devridaim makinesi değildir; çünkü bedavaya yararlı iş yapamaz.

İlgili yazı: İlk Kara Delikleri Karanlık Madde Oluşturdu

 

Casimir etkisi

Yine kuantum fiziğine bağlı bu olguyu 3 Paradoksla Evren Boşluktan Nasıl Oluştu? yazısında anlattım. Konumuz için özetleyecek olursak Casimir etkisi vakumda, yani boş uzayda gözlemleniyor. Bu kez içinde hiçbir atom, parçacık ve hatta enerji alanı bulunmayan kursuz bir vakumdan söz ediyoruz.

Elbette laboratuarlarda kusursuz vakum üretemeyiz; ama bu etkiyi test edecek düzeyde vakum elde edebiliyoruz. Bu tür bir vakum ortamında, iki metal levhayı birbirine mikroskobik mesafelere kadar yaklaştırırsanız ilginç bir şey oluyor.

Karanlık enerji yazısında belirttiğim üzere, boşluğun da bir tür sanal enerjisi olduğu için levhaların arasındaki enerji miktarı, levhaların dışındaki toplam enerjiden düşük oluyor. Sanal enerji olarak basitleştirebileceğimiz bu olgu, levhanın dışındaki boşlukta yüksek basınç ve içinde düşük basınç oluşturuyor. Dolayısıyla levhalar birbirine yaklaşıyor.

İlgili yazı: Dünyanın Çekirdeği 4 Milyar Yıl Genç Çıktı

 

Sıfır noktası enerjisi

Stargate Atlantis gibi bilimkurgu dizilerinde Casimir etkisine sıfır noktası enerjisi deniyor ve sıfır noktası enerji jeneratörleri, boşluktan enerji çekmeyi sağlıyor.

Ancak, levhaların arasındaki boşluk ile dışındaki boşluk arasında gerçek bir enerji akışı gerçekleşmediği için (boşluk enerjisi sanal) Casimir etkisini YARARLI iş üretmekte kullanamıyoruz.

Özetle bu en kusursuz devridaim makinesi dahi, sırf kusursuza yakın olduğu için ürettiği kadar enerji tüketiyor. Net enerji çıktısı olmadığı için de Casimir levhalarını yararlı iş yapmakta kullanamıyoruz.

İlgili yazı: Tuzlu Salda Gölü Mars’ta Hayata Işık Tutuyor

 

Toparlayacak olursak

Mucitler bugüne dek birçok devridaim makinesi tasarladı. Ancak, bunların büyük kısmı termodinamiğin birinci ve ikinci yasasına aykırı olduğu için çalışmadı. Carnot Döngüsü, Kuantum Termometre ve Casimir Etkisini bile sonsuza dek çalışmadıkları için gerçek devridaim makinesi değil.

Nitekim kağıt üstünde yüzde 100 verimli olan bu makineler de termodinamiğin üçüncü yasasını ihlal ediyor: Boşluktan bedava enerji çekerek sonsuza dek çalışan ve yararlı iş üreten bir makine yapmamız imkansız; çünkü bizzat yüzde 100 verimlilik buna engel oluyor.

Öyleyse çalışması için fosil yakıtlar, nükleer enerji, hidrokarbonlar, güneş enerjisi ve nükleer füzyon gibi yöntemlerle sürekli enerji üretmek zorunda kalacağımız kusurlu makinelere teşekkür edelim. Onlar olmasa hiçbir iş yapamazdık ve organik bir makine olan insanlar da yaşayamazdı.

Evrenin sonu

Oysa termodinamik yasaları hem zamanın okunun geleceği göstermesini ve zamanın ileri akmasını, hem de evrenin ısıl ölüm denilen süreçle bir gün yok olacağını gösteriyor (tabii karanlık enerji daha önce yok etmezse). Bu soruların cevabını da Zaman Neden Geleceğe Akıyor? ve Yaşadığımız Evren Nasıl Yok Olacak? yazılarında bulabilirsiniz. Şimdi siz de en ilginç devridaim makinesini tasarlayıp bu yazının yorumlar kısmında paylaşın. Bakalım hayal gücünüz ne kadar geniş? 🙂 Güzel Pazarlar dilerim.

Bedava hayat yok, çalışın

¹What Science Is and How It Works
²Fundamentals of Classical and Statistical Thermodynamics