Evrenin En Verimli Makineleri Nedir?

Kara delik enerji makineleri ne kadar verimli? Peki ya nötron yıldızları? İnsanlığın galaksiye yayılmak için gereksinim duyacağı enerjiyi ne tür enerji kaynaklarından sağlayabiliriz? Nükleer füzyon motorları işimize yarar mı? Antimadde roketleriyle çalışan yıldız gemileri pratik mi? Peki ya yerçekimini kullanarak hiç yakıt harcamadan komşu yıldızlara nasıl gideriz? En verimli kozmik makineleri görelim.

Fosil yakıtlar ve nükleer enerji

Bugün insan uygarlığı yüzde 75 oranında ölü bitkilerin kalıntılarıyla geçiniyor, yani temel petrol ve kömür türevlerini yakarak enerji üretiyor. Öyle ki astrofizikçi Sagan’a göre uygarlığımız Kardaşev ölçeğinde tip 0,7 düzeyindedir. Oysa fosil yakıtlar hem çevreyi kirletiyor hem de atmosfere sera gazları salarak küresel ısınmaya yol açıyor. Öte yandan Mars gibi en yakın gezegenlere gitmek bile muazzam enerji gerektiriyor. Hem yerçekimini yenerek uzaya çıkmak hem de 60 milyon km gidip Mars’a güvenle inmek için…. Kısacası uygarlığımızın enerji gereksinimi günbegün artıyor.

Nitekim ABD ve Fransa gibi ülkeler atomu parçalayarak enerji açığa çıkaran çok sayıda nükleer güç santrali kullanıyor. Bundan 10 kat verimli olacak nükleer füzyon çalışmaları da sürüyor ki füzyon asıl güneş enerjisidir. Füzyonda küçük atomları kaynaştırarak büyük atomlar sentezler ve bu sırada büyük miktarda ısı üretirsiniz. Peki insanoğlu uzak gelecekte ne tür enerji kaynakları kullanacak? Nükleer füzyon ve günümüzde hızla yayılmakta olan güneş enerjisi uygarlığımızın ihtiyaçlarını karşılayacak mı?

Enerji verimliliğinin teorik sınırlarını termodinamik yasalarıyla anlatmıştım ve mademki uzaya yayılmak istiyoruz öyleyse bize çok daha verimli çalışan makineler lazım. Yıldızlar, nötron yıldızları ve kara deliklerin büyük miktarda enerji ürettiğini biliyoruz. Öyle ki Dünya’nın yıllık enerji tüketimi kozmik enerji üretiminin yanında hiç kalıyor. Peki evrenin en verimli makineleri nedir ve nasıl çalışır? Yıldızlar arasında yolculuk etmek için kozmik makineleri nasıl kullanırız?

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

 

En verimli makineleri nasıl ölçeriz?

Einstein’ın görelilik teorisindeki ünlü E=mc² denklemini m=E/c² olarak yazarsak kütlenin enerjiden türeyen bir özellik olduğunu görürüz. Hızlanan, yavaşlayan ve yön değiştiren kütle bir anlamda enerjiye dönüşür. Kabul, enerjinin tamamını yararlı işe dönüştüremeyiz. Oysa fosil yakıtların da çok az bir kısmını enerjiye dönüştürebiliyoruz. Sizce çevre kirliği neden oluşuyor? İyi yakamadığımız yakıtın kalıntılarından… Peki ya küresel ısınma? O da yararlı işe çeviremediğimiz elektromekanik, elektrokimyasal ve termal atık enerjiden oluşuyor.

Elbette ki sera gazları atmosferi soba gibi ısıtmaz. Öte yandan güneş ısısının uzaya geri dönmesini engelleyerek Dünya’yı yorgan gibi sarıp ısıtır. Enerjiyi yok edemez ama aktarabiliriz demiştim. Bu bağlamda fosil yakıtlarda kullanamadığımız enerji de kütle–enerji denkliği sayesinde atık maddeler halinde havaya, suya, toprağa karışıyor.

Nükleer roketlerde anlattığım gibi uzay yolculuklarında durum daha vahim. Bugün otobüs büyüklüğündeki bir uzay gemisini ışık hızının yüzde 70’ine çıkarmak için bize evrenin kütlesine denk miktarda hidrojen yakıtı ve oksijen yakıcısı (uzayda hava yoktur) gerekirdi. Oysa dizel ve benzin gibi, içten yanmalı motorları çalıştıran kimyasal yakıtlar ve güneş enerjisinden de söz ettik. Güneş enerjisini kapsamında ağır pil ve aküler kullanmamız, dahası enerjiyi uzun süre depolayacak bir teknoloji olmaması hep bize engel. Yine de kütle enerjiye denktir ve doğrudan kütleden enerji üretebiliriz:

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

 

Norveç’in makineleri

Evrendeki en verimli makineler de öyle yapar. Başta nükleer füzyon ve yerçekimiyle enerji üretir. Enerji derken vücudunuzda 7 katrilyon kere trilyon atom var. Bütün atomlarınızı aniden parçalasak ortaya çok büyük bir enerji çıkardı. Bu enerji en güçlü nükleer bombalardan daha büyük bir yıkıma yol açardı. Ne de olsa nükleer bombalar atomu parçalayarak çalışıyor. Bu yöntemde kütleyi kinetik enerjiye ve hemen ardından ısıya çevirerek enerji üretiyoruz.

Örneğin 5 kg’lık bir kediyi bir anda atomlarına ayırsak Türkiye’nin 2015 ölçümleriyle yıllık güç tüketiminin 3,52 katı enerji açığa çıkardı! 😮 Bu da kişi başına 5817,36 kg petrol eşdeğeri olup Norveç’in yıllık güç tüketimine eşittir. Peki işin fiziğine geçmeden önce bundan ne sonuç çıkarıyoruz? 1) Demek ki atomu parçalayan nükleer güç santralleri de o kadar verimli değilmiş. Zaten verimli olsalar radyoaktif atıklara yol açmazlardı ve 2) Para özünde enerjiden türer:

Türkiye’nin Norveç karşısındaki yoksulluğunu kişi başına kg cinsinden petrol eşdeğerinde görebilirsiniz. Bırakın eğitim düzeyi ve insan kaynaklarını, artı değeri körükleyecek baz ekonomide kafadan 3,52 kat fark var. Artık enerji verimliliğinin temellerini gördüğümüze göre bunu süper gelişmiş uygarlıklara uygulayabiliriz: Uzaya yayılmak çok para, yani yüksek üretim ve özünde bol enerji ister! Öyleyse gelecekte nasıl enerji üreteceğiz?

İlgili yazı: Kozmik Uzaklıklar: Evrende Ne kadar Uzağı Görebiliriz?

 

En verimli antimadde makineleri?

Bugün bir kısmı gelecek vaat eden birçok enerji üretim teknolojisi var. Biz de önceki yazılarda nükleer fizyon, nükleer füzyon, güneş enerjisi, hidrojen yakıt hücreleri, metanla biyogaz gibi alternatif biyoyakıtları ve hatta fosil yakıtları gördük. Dünya’nın 2040’a dek yüzde 70 oranında petrol, kömür ve doğal gaz yakacağını söyledik. Siz de bu saçmalığın hesabını 1855’ten beri parayı petrole gömen egemenlerden sorabilirsiniz. Görünüşün tersine oligarşi 170 yıldır teknolojik ilerlemeyi baltalıyor. Uzaydaki en verimli kozmik makineler ise yerçekiminden daha verimli enerji üretiyor.

Şimdi diyeceksiniz ki “Ama hocam madde–antimadde yok oluşu en verimli tepkimedir; çünkü maddeyle antimaddenin tamamı enerjiye dönüşür”. İyi de ben enerji kapasitesinden söz etmiyorum ki! Enerji verimliliğinden söz ediyorum. Oysa fark ettiğiniz gibi kedileri çok severim ve iki kez de Scrödinger’in kedisini yazdım. Diyorum ki madem kediyle başladık, antimadde sorunuzu da kediyle yanıtlayalım. 😊 Bir kediyle anti kediyi çarpıştırırsanız Türkiye’yi 7 yıl besleyecek enerji üretirsiniz. Oysa sorun bu enerjinin ne kadarını işe çevirebileceğinizde yatıyor.

Madde–antimadde yok oluşu neredeyse tümüyle radyasyon üretir. Radyasyonu, hele bu örnekteki iyonize edici radyasyonu işe çevirmek çok zordur. Antimadde gemilerinde anlattığım üzere pozitron roketleri saniyede 2700 Sievert radyasyon üretir. 4,5 Sievert 2 günde öldürdüğüne göre… Dahası evrende antimadde çok nadirdir ve antimadde üretmek de çok enerji gerektirir. Üstelik üreteceğiniz antimaddeye göre fiyatı değişse dahi hepsi çok pahalıdır. Antimaddenin gramı 60 katrilyon dolara kadar çıkar! 60 katrilyon dolar nerede, biz neredeyiz?

Bakın neredeyiz:

Kimyasal roketlerde en verimli yakıt hidrojendir. Sıvı hidrojenle sıvı oksijeni yakarak optimum sürede maksimum enerji üretirsiniz. Roketlerin uyduları uzaya çıkaran ikinci kademeleri boşuna mı sıvı hidrojen kullanıyor sanıyorsunuz? Yine de bu roketler hidrojen kütlesinin yalnızca yüzde 0,00000001’ni enerjiye çevirir. Öh! Ne büyük israf! Falcon 9 roketleri 155,8 ton yakıt taşıyor ama bunun yalnızca milyonda birini enerjiye çeviriyor ve gerisi ziyan oluyor. Aslında roketin birinci kademesi RP-1 kerosen (gazyağı) yaktığı için daha çok yakıt ziyan ediyor. Peki ya nükleer enerji ve nükleer roketler?

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

 

Nükleer makineleri görelim

Mars’a 6 ay yerine, sadece 3 ayda gidecek VASIMR roketlerinin güç gereksinimini nükleer reaktörlerle karşılamakla ilgili bir yazım var. Orada nükleer roketlerin yerden kalkmayacak kadar ağır olduğunu söyledim. Bir uzay gemisini Mars’a kimyasal roketlerden hızlı götürecek nükleer motor o kadar ağır olur ki SpaceX Yıldız Gemisi gibi metan yakan bir roketle bile Mars’a daha kısa sürede ve ucuza gidersiniz. Daha hızlı gitmek için gereken reaktör uzay gemisini iyice ağır yapacağı için hızınız düşer.

Hem siz bakmayın nükleer bombaların yıkım gücüne: Bunlar adı üstünde bomba, kontrollü enerji değil ve yararlı iş üretmeyi sağlamıyor. Öyle ki nükleer silahlara sahip olan hiçbir ülke güçlü değildir. Ne de olsa kontrolsüz güç, güç değildir. Nükleer silahlar da sadece kullanmadığınız sürece caydırıcıdır. Özetle atomu parçalamanın da pek verimli olduğunu söyleyemeyiz. Mesela Uranyum 235’i kripton ve baryuma bölerseniz uranyum kütlesinin yüzde 0,08’ini enerjiye çevirmiş olursunuz. Güneş’in çekirdeği gibi işleyen nükleer füzyon reaktörlerinde ise hidrojen kütlesinin yüzde 0,7’sini enerjiye çevirirsiniz. Kısacası Türkiye’nin yıllık güç tüketimini karşılamak için size 48,2 kilogramlık füzyon yakıtı yeter.

Küresel enerji rekabeti

Bakın bu iş çok ciddidir ve Ay’dan helyum 3 çıkarmak bağlamında ABD ile müttefiklerini Çin’le karşı karşıya getirmiştir (Bkz. Tiangong uzay istasyonu Ay Geçidi’ne karşı). Nükleer füzyon roketiyle ilgili yazılarımda çok detay verdiğim için özet geçeceğim: Füzyon roketleriyle en fazla ışık hızının yüzde 12’sine çıkabiliriz. Oysa önümüzdeki 100 yılda geliştirebileceğimiz teknolojiyle ışık hızının yüzde 8’i daha akla yatkın görünüyor. Böylece insanlığın 2100’dek geliştireceği en verimli makineleri gördük. Şimdi kozmik unsurlara, yani evrenin en doğal ve verimli makinelerine bakalım:

İlgili yazı: Dünyadaki En Ölümcül 5 Toksin Nedir?

 

Nötron yıldızı makineleri

Mantık basit: Kütle enerjiye denkse ve bir cismin yerçekimi çapı küçüldükçe artıyorsa; evrende yerçekimiyle en çok enerji üretecek gökcisimleri nötron yıldızlarıyla kara deliklerdir. Kara deliklerden kaçış hızı ışık hızını aştığı için kara dileğe giren dışarı çıkamaz. Kara delik bombasında anlattığım gibi; sırf bu nedenle kara delikten enerji üretecek olsak bunun için kara deliğin hemen dışındaki uzayı kullanırız. Nötron yıldızların kaçış hızı da kütlesine göre ışık hızının yüzde 50’si ila yüzde 66’sına ulaşır.

Şimdi biraz fizik yapalım: Nötron yıldızları ve kara delikler çeşitli şekillerde enerji açığa çıkarır. Yakındaki cisimleri yerçekimiyle kendine çeker veya uzaya savurur. Nötron yıldızları hem doğrudan hem de kendini saran birikim diski aracılığıyla ısı ve ışık saçar. Yıldıza düşen maddeler sıcak sıcak parlar ve nötron yıldızı kabuğuna çarpınca kısa süreli termonükleer patlamalar gerçekleşir.

Bunun dışında sıkışan yıldız sismik dalgalar ve aşırı güçlü manyetik alanlar üretir. Ayrıca kutuplarından uzaya ışık hızının yüzde 26–80’iyle rölativistik gaz jetleri, X ve gama ışınları saçar. Kara deliklerin katı bir yüzeyi olmadığı için termonükleer tepkimeleri saymazsak bunlar da nötron yıldızları gibi enerji üretir. İşin ilginci bütün nötron yıldızları yaklaşanı yakıp kavuracak kadar şiddetli radyasyon yayar. Hele manyetarlar tam bir felakettir. Oysa çevresinden gaz çekmeyen ve birikim diski olmayan kara delikler çok daha güvenlidir. Kara deliklerin yerçekimiyle güç ve dolayısıyla iş üretmek daha kolaydır. 😉

Dedik ya biraz fizik zamanı

Nötron yıldızı ve kara deliklerin enerji verimliliğini nasıl hesaplarız? Nötron yıldızı parlaklığını L = ξmc² şeklinde yazarız. Buradaki ξ nötron yıldızını saran birikim diskini oluşturan gaz ve tozların kütlesinin enerjiye (ısıya) çevrim verimliliğini gösterir. Bunu da ξ = (r_g/2R) olarak yazarız. Dedim ya yıldızın çapı küçüldükçe yerçekimi artar. Demek ki bir cisim ne kadar tıkızsa, yani yoğunluğu ve yerçekimi ne kadar güçlüyse o kadar çok enerji üretir. Mesela 1 Güneş kütlesindeki beyaz cücenin çapı 10 bin km’dir. Bu durumda verimliği 3 x 10^-4 olacaktır. Oysa 1 Güneş kütlesi ve 20 km çapındaki nötron yıldızında ξ ~0,15’tir! Bu da nötron yıldızını saran birikim diskinin nükleer enerjiden 22 kat verimli olduğunu gösterir. Tabii ölümcül radyasyonu saymazsanız. Yine de bunun için nötron yıldızına gitmek gerekiyor!

İlgili yazı: 5 Soruda Paralel Evrenler

 

Gelelim kara delik makinelerine

Birikim diskindeki gazlar kara deliğe sarmallar çizerek düşer. Düşerken gittikçe sıkışır ve hem sıkışma hem de sürtünmeyle ısınarak X-ışınları saçmaya başlar. Kara delik onu saran gazları işte böyle enerjiye çevirir. Kara deliğe en yakın kararlı yörünge kara delik yarı çapının 3 katı uzaktadır. Bu uzaklıktaki gazların yörüngede kalması için kütlesinin yüzde 6’sını enerjiye çevirmesi gerekir. Sonuçta gaz ne kadar hızlı dönerse merkezkaç kuvvetiyle o kadar hızlı dışa savrulur. Bu da kara delik yerçekimini dengeleyerek yörüngede kalmayı sağlar.

Birikim diski enerji çevrim verimliliği o kadar yüksektir ki 7 kedinin kütle eşdeğeri enerjiyle Türkiye’yi 3,5 yıl besleyebilirsiniz. Oysa bu kendi çevresinde dönmeyen kara deliklerle yaptığımız bir hesap. Doğadaki bütün kara delikler ise kendi çevresinde döner. Hatta uzayı da girdaplar halinde sıkıştırarak büzer ve peşinden sürükler. Zaten buna çerçeve sürüklenmesi deniz. Peki bu, enerji verimliliği açısından ne anlama gelir? Gerçek kara deliklerin en yakın kararlı yörüngesi kara deliğe çok daha yakın demektir. Bu yörüngedeki gaz diski çok daha hızlı döner ve kütlesinin yüzde 42’sini enerjiye çevirir! 😮

Demek ki kara deliğe 2,5 kedi atıp üretecekleri enerjiyi Türkiye’ye transfer etseniz ülkemizi 3,5 yıl beslersiniz. Tabii bu teorik limittir. Pratikte enerjinin ancak yarısını işe çevirebiliriz. O da kara deliğin yakınındaki uzay gemileri ve üsleri için geçerlidir. Ben de bunu son yıldızlar sönünce kara deliklerden nasıl enerji üreteceğiz yazısında anlattım: Tek bir parçacık için enerji verimliliği yüzde 20,7 olacaktır. Kara deliğe atacağınız safra kütlesinde ise enerji verimliliği daha da düşecektir. Yine de en verimli nükleer füzyon roketinden daha çok enerji üretirsiniz.

Öyleyse son soru

Neden füzyon roketleri yerine yapay kara delikler kullanmıyoruz? Siz de kara delik motorlu uzay gemilerini şimdi okuyabilir ve gelecekte antiyerçekimi keşfedilirse galaksi imparatorlukların bunu nasıl kullanacağına bilimkurgu gözüyle bakabilirsiniz.  Beşinci kuvvet: karanlık enerji evreni yok edecek mi? diye sorup neden sürekli acıkıp yorulduğumuzu merak edebilirsiniz. Enerjinin korunumuna rağmen Noether teoremi: enerjiyi yok etmek mümkün mü sorusunu araştırabilirsiniz. Hızınızı alamayarak yerçekimi otoyollarıyla güneş sisteminde nasıl seyahat edeceğimizi de inceleyebilirsiniz. Kara delikleri ses dalgalarıyla taklit eden akustik deneylerde Penrose süreciyle iş güç üretiminin nasıl kanıtlandığını ise hemen aşağıdaki videoda izleyebilirsiniz. Bilimle ve sağlıcakla kalın. 😊

Akustik kara delikler

¹Circular Motion and Energy Extraction in a Rotating Black Hole
²Implementing black hole as efficient power plant
³Supermassive black holes as possible sources of ultra high energy cosmic rays