SpaceX Mars’a Terleyen Yıldız Gemisi ile Gidecek

SpaceX şirketi Mars’a gitmek için terleyen yıldız gemisi geliştiriyor. BFR (Koca Roket) tarafından uzaya fırlatılacak Yıldız Gemisi (Starship) 2030’dan itibaren Mars’a her seferinde 40-100 kişi taşıyacak. Mars atmosferine girerken sürtünmeyle ısınacak olan gemi insan gibi terleyerek kendini soğutacak.

Neden terleyen Yıldız Gemisi?

Elon Musk’ın SpaceX şirketi 2030’dan itibaren uzaya insan göndermek için Koca Roket (BFR) fırlatma sistemini geliştiriyor. İngilizce Big Fucking Rocket sözcüklerinin kısaltması olan BFR, Elon Musk’ın geçenlerde adını koyduğu Yıldız Gemisi’ni Mars’a fırlatacak.

Yıldız Gemisi Mars’a 2024-2030’dan sonra insanlı uçuşlar yapacak; ama yolcu taşımak için 2030’u beklemeyecek. 10 yıla kalmadan, İstanbul-New York gibi uzun mesafelerde sesten 10-15 kat hızlı hipersonik uçuşlar yapacak. Yörüngenin hemen altından uçarak her seferinde 40 zengin yolcuyu New York’tan Singapur’a 30 dakikadan kısa sürede ulaştıracak.

Elon Musk hem Yıldız Gemisi hipersonik uçuşlarıyla, hem de uzaydan internet hizmeti sunarak Mars’a insan götürecek parayı kazanacak. Tabii Ay yörüngesine turist taşıyarak da gelirlerini artıracak. Oysa Mars’a gitmek Ay’a gitmekten çok daha zor ve SpaceX’in terleyen yıldız gemisi yapmasının sebebi de bu. Neden derseniz Mars atmosferi uzay gemilerine zorluk çıkarıyor:

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

 

Belalı Mars atmosferi

Mars’ın zorlu bir atmosferi var. Dünya’nın yalnızca yüzde 1’i kadar basınca sahip olan ince Mars atmosferi uzay gemilerinin hızını kesmeye yetmiyor. Gemilerin atmosfere sürtünerek yavaşlaması ve Mars’a güvenli iniş yapmasına izin vermiyor.

Buna karşın Mars atmosferi, uzay gemilerinin sürtünme nedeniyle aşırı ısınmasına yetecek kadar kalın bir hava tabakası oluşturuyor. Kaldı ki NASA’nın Mars’a insanlı uçuş yapacak olan SLS roketi yazısında anlattığım gibi, Mars uzak bir gezegen; yani kızıl gezegene sadece 2 ayda ulaşmak için çok hızlı gitmek gerekiyor.

NASA’nın 6 aylık standart uçuş planlarının tersine, Elon Musk’ın planladığı gibi kızıl gezegene sadece 1-2 ay içinde ulaşarak astronotların sağlık riskini azaltmak, Mars’a iniş yapmakta özel sorunlar çıkarıyor.

Hızlı giden uzay gemilerinin Mars’a çakılmamak amacıyla fren yapıp yörüngeye girmesi sorun oluyor. Uzay gemilerinin manevra roketlerini uzun süre ateşleyerek fren yapması gerekiyor. Bu da yakıt tüketimini artıyor. Çok yakıt taşıyan uzay gemileri ise yavaş ve pahalı oluyor.

Neden terlemek şart?

Dünya’nın yerçekiminden kurtulup Mars’a gitmek çok yakıt gerektiriyor ve bu yüzden sizi uzaya göndermek ağırlığınızca altın ediyor (insanlar nefes alan ve acıkan canlılar olduğu için Mars’a astronot göndermenin kilosu 20 bin dolardan başlıyor). Peki neden uzay gemilerinde ısı kalkanı kullanmıyoruz?

İlgili yazı: İnternetinizi Uçuracak En İyi 10 Modem

 

Isı kalkanı ve terlemek

Resimde görüldüğü gibi, 2011’de emekliye ayrılan uzay mekikleri Dünya atmosferine geri dönerken aşırı ısınıyordu. Öyle ki mekiğin bazı yerlerinde sıcaklık 1640 dereceye yükseliyordu ve bu da demiri eritecek kadar sıcak olmaları demek.

Uzay mekiklerinin meteor gibi atmosferde yanarak parçalanmasını önlemek için pahalı kompozit malzemelerden üretilen ve kalebodur benzeri karolardan oluşan ısı kalkanları kullanılıyordu. Nitekim uzay mekiği Columbia, bu karolardan biri zarar gördüğü için atmosfere girerken parçalandı ve 2003 yılındaki elim kazada 7 astronot hayatını kaybetti.

Şimdi diyeceksiniz ki “Ama hocam, Mars’a giden meraklı gezgin robot Curiosity’yi taşıyan uzay aracı için sıcakta buharlaşan ve ısı yayarak soğuyan özel ısı kalkanları geliştirdik. Bunlar Mars robotunu taşıyan kargo bölmesini yanmaktan korudu. Neden Elon Musk, Mars’a gidecek Yıldız Gemisi’nde ısı kalkanı kullanmıyor?” Bunun cevabıyla ilgili ipucu yazının başında yatıyor: Yıldız gemisi çok ağır.

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

 

Tam 185 ton!

BFR’nin sadece Yıldız Gemisi kısmı Mars’a gidecek. Booster dediğimiz birinci kademesi ise yeni yükler fırlatmak üzere Dünya’ya geri dönecek. Buna karşın Yıldız Gemisi 55 metre uzunluğunda ve 85 ton ağırlığında olacak. Yük ve yolcularla birlikte Mars’a giderken dolu ağırlığı ise 185 tonu bulacak. Bu da her biri 22 ton çeken 8 TIR’dan ağır olması demek!

Yakıt tasarrufu

SpaceX’in yeniden kullanılabilen roketlerini anlatırken, bir uzay gemisinin en pahalı kalemi yakıttır dedik. Mars’a gitmek ve yavaşlamak için de çok yakıt yakacağımızı belirttik.

Elon Musk’ın gazyağı (kerosen) ile değil de metanla çalışan roketlerle bunu nasıl aşacağını önceki Mars yazısında okuyabilirsiniz. Ancak, SpaceX şirketinin Yıldız Gemisi’ni hafifletmek için elinden geleni yaptığını tahmin edersiniz ki işte bu yüzden Mars gemisinde ısı kalkanı kullanamayız:

55 metre uzunluğundaki bir gemiyi ablatif (buharlaşan) ısı kalkanlarıyla kaplamak çok pahalı oluyor. Dahası bütün gemiyi ısı kalkanıyla kaplarsanız Yıldız Gemisi o kadar ağır oluyor ki yerden kalkmıyor. Neyse ki biz sıcakkanlı insanlar yazın ısı kalkanı kullanmak yerine terleyerek soğuyabiliriz.

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

 

Bu yüzden terleyen Yıldız Gemisi

Peki Elon Musk neden Yıldız Gemisi’nin gövdesini çelikten üretecek? Falcon 9 roketleri, eski uzay mekikleri ve bütün diğer modern roketler gibi karbon fiberden üretse ya? Sonuçta karbon fiber hafiftir ve fiberden yapılan uzay gemisi de çelik gemiden hafif olacaktır (ısı kalkanıyla kaplı olsa bile).

Ayrıca 1950’lerden beri çelik roket kullanmıyoruz. Öyleyse teknolojide hep öncü olan Elon Musk’ın bu gericiliği nereden çıktı? Aslında SpaceX’in çelik kullanacak olmasının birkaç sebebi var: Maliyetler, dayanıklılık ve ağırlık ana sebepler. Şimdi bunları sırasıyla görelim:

Bir kere Mars’a gidecek Yıldız Gemisi çok büyük. Bu yüzden karbon fiberden uzay gemisi yapıp bunu kompozit ısı kalkanıyla kaplamak çok pahalı. Oysa çeliğin fiberden ağır olmasına rağmen; çelik Mars roketleri, karbon fiber roketlerden hem daha ucuz ve hem de toplamda daha hafif olacak. Neden?

İlgili yazı: Periyodik Tabloda Keşfedecek Kaç Element Kaldı?

 

Çeliği işlemek kolay

Çelik karbon fiberden daha bol ve ucuz bir malzeme. Aynı zamanda bir geminin atmosfere girerken yaşadığı stres ve sarsıntıya daha dayanıklı. Üstelik karbon fiberden daha kolay şekil alıyor ve imalat maliyetlerini düşürüyor.

Nitekim Yıldız Gemisi’nin 1930’lu yılların Buck Rogers ve Flash Gordon çizgi romanlarındaki roketlere benzeyen basit bir yapıda olmasının bir sebebi de bu. Ne kadar basit ve yalın bir tasarım yaparsanız üretim o kadar ucuza gelir.

Ayrıca basit tasarım, geminin hem fırlatma hem de iniş yapma aşamasında daha aerodinamik olmasını, kısacası verimli uçarak yakıttan tasarruf etmesini sağlıyor.

Çelik sağlamdır

SpaceX şirketinin terleyen Yıldız Gemisi için ısı kalkanı kullanmayacağını belirttik. Peki bu gemi nasıl terleyecek ve kendini soğutacak? SpaceX bunun için sağlam çelikten üretilen çift cidarlı bir gemi tasarladı. Kısacası terleyen Yıldız Gemisi iç içe geçen iki gövdeden imal edilecek.

İlgili yazı: Mobil İnternette Video İzleme Rehberi

 

Sandviç roket

Yıldız Gemisinin iç ve dış gövdesinin (bunlara cidar diyoruz) arasında sıvı su olacak. Uzayın soğuğunda sıvı su roketin elektrik sistemiyle ısıtılacak. Böylece hem astronotların donması, hem de cidarlar arasındaki ter suyunun donup genişleyerek roketi parçalaması önlenecek (buz genişler).

Burada çelik şart; çünkü karbon fiber hafif ama aynı zamanda çok kırılgan bir imalat malzemesidir. Öyle ki fiber kullanarak iki gövde arasındaki boşlukta (balast) ter suyu olan bir terleyen Yıldız Gemisi yapamazsınız. Su donmasa bile, karbon fiber gövde sıvı suyun basıncı ile kağıt gibi yırtılır.

Demek ki Mars atmosferine girerken ağır ve pahalı ısı kalkanları kullanmayan; bunun yerine terleyerek soğuyan bir Yıldız Gemisi yapmak için çelik kullanmak zorundayız.

İlgili yazı: Evren Bir Simülasyon mu?

 

1477°C

Mars atmosferi Dünya’dan çok ince olmakla birlikte; terleyen Yıldız Gemisi, atmosfere çok hızlı girecek ve ince atmosfer yeterince direnç göstermediği için de yüksek hızını Dünya’ya göre daha uzun süre koruyacak (Bkz. Marslı filmi ne kadar gerçekçi).

Elbette Mars’ın yerçekimi Dünya’nın sadece yüzde 38’ne eşit olduğu için Yıldız Gemisi aşırı hızlı gitmeyecek. Ancak, roket motorlarını ateşleyerek hemen hız kesmesi gerecek. Sonuçta Mars atmosferi Dünya’dan 3 kat ince ki bu konu, Yıldız Gemisi’nin sürtünmeyle ısınmasını önlemek için çok önemli:

Bir yandan terleyen Yıldız Gemisi, Mars’ın ince atmosferinde yüksek hızı nedeniyle 1477°C’ye kadar ısınacak. Diğer yandan ise Dünya’dan çok daha kısa bir sürede Mars yüzeyine ulaşacak. Sonuçta Dünya’nın atmosferi 600 km yüksekliğe erişiyor; ama Mars atmosferi sadece 200 km kalınlıkta.

Bu nedenle Mars atmosferine girerken aşırı ısınan uzay gemilerinin hemen fren yapması gerekiyor. Yoksa durma mesafesi kısa olduğu için yere çakılabilirler. Nitekim Avrupa Uzay Ajansı’nın (ESA) ExoMars seferinin yer sondası, bilgisayar hatası yüzünden roketlerini geç ateşlediği için Mars’a çakıldı; ancak bunun da bir çözümü var:

İlgili yazı: Gezegenler Güneş Çevresinde Nasıl Dönüyor?

 

Uzayda fren yapalım

Mademki Mars atmosferi Dünya’dan 100 kat seyrek ve 3 kat ince; neden terleyen Yıldız Gemisi atmosfere girmeden hemen önce, uzayda roketlerini ateşleyerek fren yapmasın?

Sonuçta Yıldız Gemisi de yeniden kullanılabilen Falcon 9 roketleri gibi kıç tarafı yere bakacak şekilde dikey iniş yapmayacak mı? Roketleri yere bakarken ateşleyerek fren yapmayacak mı?

Maalesef 100 yolcuyla birlikte 185 ton ağırlığında olan ve Mars’a 1-2 ayda ulaşmak için saatte 100 bin km’den hızlı giden Yıldız Gemisi bunu yapamaz. Atmosfer dışında fren yapmak çok yakıt harcar ve geminin o kadar yakıtı olmayacak.

Oysa Mars atmosferi ne kadar ince olsa da geminin hızını biraz olsun keserek fren yaparken yakıt harcamasını bir miktar azaltacak. Bu durumda Mars’a inmek için hem roketlerle hız kesmek, hem de atmosfere sürtünerek fren yapmak gerekecek.

İlgili yazı: CERN için 8 Kat Güçlü Çarpıştırıcı Tasarlanıyor

 

Ne zaman duracağınızı bileceksiniz

Zamanlamayı iyi ayarlarsanız bu iki fren yöntemini bir arada kullanarak Mars’a çakılmadan az yakıtla fren yapabilirsiniz.

Nitekim terleyen Yıldız Gemisi Mars atmosferine önce dikey değil, yatay açıyla girecek. Bu manevra geminin aerodinamik olma özelliğini bozarak sürtünmeyi artıracak. Ancak, sürtünmeye maruz kalan alanın artması, aynı zamanda Yıldız Gemisi’nin sürtünerek fren yapmasını sağlayacak.

Bunun bedeli ise Yıldız Gemisi sıcaklığının 1470 dereceye çıkacak olmasıdır. İşte terleyen Yıldız Gemisi burada devreye giriyor. Öyle ki Musk parayı bastırıp çok yakıt harcamayı göze alarak bütün gemiyi ısı kalkanıyla kaplasa bile, Yıldız Gemisi’nin içindeki yolcularla birlikte yanmasını önleyemez.

İlgili yazı: Elon Musk 2024’te Mars’a Nasıl Gidecek

 

Nasıl olur?

Bunu anlamak için bir uzay gemisinin atmosfere girerken neden ısındığına bakalım: Aslında uzay gemileri havaya sürtünerek ısınmaz. Uzay gemileri atmosfere sesten 15-20 kat yüksek hızda, hipersonik hızlarda girer.

Bu nedenle hava tabakasına o kadar hızlı çarpar ki havayı resmen Eski Yunan kadırgaları gibi mahmuzlayarak sıkıştırır. İşte uzay araçlarının ısınmasının asıl nedeni budur: Sürtünmekten çok havanın sıkışarak ısınmasıdır. Yoksa salt sürtünme ile 1500 dereceye kadar ısınmazsınız.

Kısacası uzay gemisinin gövdesinin bazı yerleri Mars atmosferine girerken aniden çok ısınacak ve ısınma süreci en az 5 dakika sürecektir. Uzay gemisi soğutma sistemleri de hem çok verimli olmak hem de 5 dakika boyunca çalışmak zorunda kalacaktır.

İlgili yazı: ExoMars Sondası Mars’a Robot İndiriyor

 

Neden ısı kalkanı işe yaramaz?

Öyle ya, ısı kalkanlarını bugüne dek Mars’a inen küçük uzay araçlarında kullandık. Neden Yıldız Gemisi’nde de kullanmayalım? Doğrusu bunun asıl sebebi kalkanların çok ağır ve pahalı olması değil. Bunun sebebi mühendislik sınırlamaları. Bugünkü kalkanlar büyük araçları iyi soğutamazlar.

Neden derseniz, sonuçta bunlar ablatif kompozit kalkanlar ve ısındıkça buharlaşıyorlar: Isınan kalkanın dış katmanları katı halden gaz hale geçerek anında buharlaşıyor ve ablasyon denilen bu süreçle, ısıyı uzay aracından atmosfere aktararak iniş kapsülünün yanıp kızarmasını önlüyor. Böylece Mars’a inen küçük uzay sondalarını yeterli ölçüde koruyor.

Oysa SpaceX’in Yıldız Gemisi o kadar büyük ve ağır ki aniden çok ısınacak. Dahası çok geniş bir yüzeyde ısınacak. Aslında roketin atmosferle temas eden yanı bir bütün halinde ısınacak. Ablatif ısı kalkanları ise büyük uzay araçlarını soğutacak kadar hızlı bir şekilde buharlaşamaz.

Üstelik bütün kalkanı bir anda buharlaştırsak bile gemiyi soğutamayız: 1) Kalkan çok ince (kütlesi ısınan geminin kütlesinin yanında çok küçük kalıyor) ve bu yüzden termal radyasyon kapasitesi sınırlı.

Mucize beklemeyin

2) Uzay gemisi en az 5 dakika aşırı ısınmaya maruz kalacak. İnce ısı kalkanı ise birkaç saniyede eriyip gidecek. Bu durumda ısı kalkanının Yıldız Gemisi için verimli olmadığını görüyoruz. Bu durumda en iyi çözüm insan gibi terleyen Yıldız Gemisi yapmaktır.

İlgili yazı: Elon Musk Mars’ta Sera Kent Kuracak

 

İnsanlar neden terler?

Akıllı telefonların pil ömrünü uzatmak için en pratik 5 tavsiyeyi sıraladığım Kontrollü Güç yazısında sorduğum gibi, siz hiç ısınınca telefon pili gibi patlayan insan gördünüz mü? İnsanlar sıkıntıdan patlar ama ısınınca patlamaz; çünkü bizler termodinamik açıdan çok verimli organizmalarız.

Mademki terlemek çok verimli bir soğutma yöntemi ve aynı zamanda uzun süreli soğutmaya elverişli bir teknik, öyleyse Yıldız Gemisi’nin de terlemesini sağlayabiliriz. Elon Musk’ın ısı kalkanı tweetinde belirttiği üzere:

“1470 dereceye kadar ısındığınız zaman, özgül ısı, gecikmeli ısıl buharlaşmadan daha önemlidir. Bu nedenle su yerine çok düşük sıcaklıkta soğutulmuş yakıt kullanmak biraz daha iyi bir seçim olabilir.” Evet, Elon Musk güzel söylüyor. Ancak, yukarıdaki bilgileri okumadan bu tweeti anlamak zor olacaktı. Hâlâ zor olabilir, o yüzden netleştirelim:

İlgili yazı: Mars ve Venüs’ü Dünyalaştırmak İçin 5 Dahice Yol

 

Sıvı metan

Elon Musk diyor ki “Arkadaşlar Yıldız Gemisi -161 derecede soğutularak sıvılaştırılmış metan yakıtı kullanacak. Uzayda hava olmadığı için Dünya’da soğuttuğumuz metan yakıtının bir kısmını, çift cidarlı uzay gemimizin iki katmanı arasındaki balast boşluğuna depolayabiliriz.”

Uzay soğuk olduğu için metan ısınıp buharlaşmaz. Oda sıcaklığında gaz halinde olduğu, yani donma sıcaklığı çok düşük olduğu için de uzayda donup genişleyerek Yıldız Gemisi’nin gövdesini yırtmaz. Ayrıca metan sudan ağırdır ve kütlesi büyük olduğu için ısıyı soğurup yayma kapasitesi yüksektir.

Kısacası su yerine metanla terleyen Yıldız Gemisi, Mars atmosferine sürtünürken hem daha hızlı soğuyabilir, hem de daha uzun süre terleyebilir.

Uzay ekonomisi

Öyleyse gemideki suyu içmek, yıkanmak ve geri dönüşüm için kullanırız. Metan yakıtının bir kısmını da terleme sıvısı olarak kullanırız. Gerçi sıvı metan sudan ağırdır ve roketimiz de terleme suyu taşımaktan daha ağır olacaktır; ama Yıldız Gemisi zaten metan taşıyacak. Bu nedenle ek metan, kg başına maliyet açısından ek sudan daha ekonomik olacak.

İlgili yazı: Yeni Mars Belgeseli Ne Kadar Gerçekçi?

 

Yıldız Gemisi nasıl terleyecek?

Buraya kadar Mars’a insanlı Yıldız Gemisi göndermenin ve Mars atmosferinde fren yaparak yere çakılmadan iniş yapmanın zorluklarını anlattık. SpaceX şirketinin terleyen Yıldız Gemisi üretiminde neden karbon fiber yerine çelik kullanacağını gördük.

Neden ısı kalkanı yerine terleme sistemi kullanacağını ve terlemek için de neden su yerine muhtemelen sıvı metan kullanacağını da gördük. Peki Yıldız Gemisi nasıl terleyecek? Bunu da görelim.

Mikroskobik deliklerle

SpaceX terleyen Yıldız Gemisi’nin dış gövdesine mikroskobik delikler açacak. Gemi Mars atmosferine girerken ısınacak ve ısı bu deliklerden iki cidar arasındaki balast boşluğundan girerek balast boşluğundaki sıvı metanı ısıtarak buharlaştıracak. Delikler küçük olduğu için araç yanmayacak. Ancak, buharlaşan metan gemiyi soğutacak. Eksilen metan yakıt deposundan yenilenerek 5 dakikalık terleme garanti edilecek.

İlgili yazı: Güneş Yelkeni ile 3 Günde Mars’a Gidelim

 

100 yıllık yeni fikir

Terleyen roket konsepti 50-100 yıl öncesine uzanıyor. Ancak, bu konuda hiçbir teorik veya deneysel araştırma yapılmamış. Elimizde sürekli terleyen soğutma sistemiyle ilgili bir prototip de yok. Dolayısıyla Elon Musk terleyen Yıldız Gemisi dünyada ilk olacak derken haklı. Bu işin zor yanı ise fikrin yanlış çıkma ihtimali. Belki de testlerde terlemenin işe yaramadığı görülecek.

Bu da büyük sorun olur; çünkü Mars’a 100 kişi taşıyan dev bir uzay gemisi gönderirsek bu zaten çok pahalıya gelecektir. Bir de Mars’a insan indirmek için 4-5 adet küçük iniş kapsülü geliştirip inşa eder, ve bir de Mars’tan gemiye geri dönmelerini beklersek bu sefere kimsenin parası yetmez.

İlgili yazı: NASA Mars’a nükleer roket teknolojisiyle gidecek

 

Maliyet hesapları

Madem Türkiye Uzay Ajansı kuruldu, biz de teknik fizibilite bilgisi verelim: SpaceX Falcon 9 roketlerinde kullanılan yüksek kaliteli karbon fiber kompozitlerin kilosu 135 dolar ve bunun da yüzde 35’i firedir. Dolayısıyla kilosu 200 dolara geliyor; ama 301 kalite çeliğin kilosu sadece 3 dolar.

Çeliğin gizli yararı

SpaceX’e ait bir Falcon 9 roketinin Facebook’un internet uydusu ile yerde alev aldığı 2016 tarihli kazada bir kez daha gördüğümüz gibi, boş tank problemi roketlerin en kritik zaafıdır. Karbon fiberden roket yaparsanız bu hafif olur ve yakıttan tasarrufu edersiniz; ama roketiniz aynı zamanda kağıt gibi yırtılacak kadar narin olacaktır.

Sonuçta metan veya hidrojeni soğutup sıvılaştırıyor ve genleşip gaz haline gelerek yakıt tankını patlatıp roketi yok etmesini önlemek için de bu yakıtı yüksek basınçlı tanklarda tutuyorsunuz. Oysa roket uzaya uçarken yakıt yakıyor ve tanklar boşalıyor.

Boşalan yakıt tankının dolu tanklar tarafından ezilmesini ve dolu tankların da boş tanklar yüzünden şişerek; yani ortam basıncının azalması nedeniyle genleşerek patlamasını önlemeniz gerekiyor. Örneğin, Falcon 9 roketleri boş tanklara helyum gazı basarak iç basıncı koruyor.

İlgili yazı: Kızıl Gezegen Mars Hakkında Bilmediğimiz 3 Gizem

 

Çelikte bu sorun yok

Oysa çelik çok sağlam bir imalat malzemesi: Karbon fiber gibi sıcakta yanma ve soğukta büzülüp çatlama derdi yok. Çelik yakıt tankları boşalsa bile ezilmez veya şişmez. O zaman da basıncı dengelemek için ek helyum tankı ve boru–valf sistemlerine gerek kalmaz.

Kısacası çelik gövde ağır olsa bile destek sistemleri kullanmadığınız için roketiniz oldukça hafif olacaktır. Destek sistemleri olmadığı için bakım masrafları ve kaza-arıza riski de azalacaktır. İşte bu yüzden çelik roketler ileri teknoloji ürünü kompozit roketlerden ucuz olacaktır. Isı kalkanı yerine terleyerek soğuduğu için daha da ucuz olacaktır.

Elbette terleme teknolojisi ile ince ısı kalkanlarını birlikte kullanabiliriz. İnce kalkanların maliyeti düşük olur. Aynı zamanda terlemede kullanılacak soğutma sıvısını azaltarak Yıldız Gemisi’nin yararlı yük kapasitesini artırabilir. Ancak, bir gemide iki farklı teknoloji kullanmanın maliyeti yüksek olabilir.

İlgili yazı: VASIMR roketiyle Mars’a 40 günde gidin

 

Peki bilim ne diyor?

Buraya kadar SpaceX şirketinin ve Elon Musk’ın beyanlarını kaynak göstererek konuyu genel hatlarıyla inceledik. Peki bilim insanları çelikten üretilen Yıldız Gemisi için ne diyor?

2010’larda Almanya Havacılık ve Uzay Merkezi’nin (DLR) yaptığı araştırmada, Procelit 170 (P170) olarak adlandırılan ve yüzde 91 alüminyum oksit ile yüzde 9 silisyum oksitten üretilen mikro gözenekli bir materyalin, su terlemesiyle 1750 dereceden 25 dereceye soğutulabildiği görüldü.

Rüzgar tüneli testlerinde P170’ten yapılma 1 metrekarelik roket gövdesini terleme yoluyla soğutmak için saniyede 0,065 kg su kullanmanın yeterli olduğu tespit edildi. Bunun için atmosfere sürtünürken metrekarede 200 kilowattlık ısınma olacağı varsayıldı.

Ancak, 300 serisi çelik bu tür pahalı kompozitlerden çok daha hızlı soğuyabildiği için çelik roket gövdesi de çok daha ince ve ucuz olacak. Çelik hem pahada hem de ağırlıkta ucuz olacak. Çelik roket hafif olduğu için yakıt tasarrufu sağlayacak.

İlgili yazı: Mars’ı Canlandırmak İçin Manyetik Kalkan

 

Dahası var

Bir roketi yere inerken 25 dereceye kadar soğutmanız şart değil. Nitekim NASA uzay mekiklerini o kadar soğutmazdı. Bir mekik indiği zaman oldukça soğumuş olmasına karşın, mekiğin sistemlerini kapatana ve ısınmadan kaynaklanan zehirli gazların dağılmasını bekleyene kadar 20 dakika geçerdi.

Kısacası terleyen Yıldız Gemisi de Mars’a 100 derece dış sıcaklıkla inebilir. Nasıl olsa soğuk gezegende hızla soğuyacaktır.

Eğer bir uzay gemisini iniş anında oda sıcaklığına kadar soğutmanız gerekmiyorsa; daha az terleme sıvısı kullanarak gemiyi hafifletip yakıttan daha fazla tasarruf edebilirsiniz. Böylece Mars yolculuğu maliyetlerini oldukça azaltabilirsiniz.

Bu durumda destek amacıyla ince ısı kalkanı kullanmanıza hiç gerek kalmaz. Yine de SpaceX Yıldız Gemisi videolarında, geminin Mars atmosferine sürtünerek fren yapacak alt yarısının, uzay mekiği benzeri siyah ısı kalkanıyla kaplı olduğunu görüyoruz. Terleme teknolojisi daha yeni ortaya atıldı.

İlgili yazı: Hava Soluyan Roket ile Mars’a Hızlı Uçuş

 

Gelelim Yıldız Gemisi’ne

Yıldız Gemisi’nin silindirik gövdesinin yüzey alanı yaklaşık 800 metrekaredir. İniş kanatçıkları ise muhtemelen ısı kalkanıyla korunacak. Bunlar çok ince olduğu için delikli yapamazsınız, rüzgarda parçalanırlar.

Sürekli terleyen soğutma sistemi de 800 metrekarelik bir alanı soğutacak. Bu da gemiyi 1750 dereceden oda sıcaklığına soğutmak için metrekare başına saniyede 52 kg su kullanacağımız anlamına geliyor. Ancak işimiz daha kolay:

1) Terleyen yıldız gemisi sadece 1470 dereceye kadar ısınacak. 2) Soğutmada sudan daha etkili olan sıvı metanla terleyecek. Yine de metan sudan ağır olduğu için saniyede 52 kg makul görünüyor; ama bu ortalama değerdir!

Gemi atmosfere sürtünerek fren yapacağı için atmosfere bakan kısmı daha çok ısınacak. Ayrıca kanatçıklar ısı kalkanıyla korunsa dahi, kanatçıkların köşeli bağlantıları sürtünme katsayısını artırdığı için bunlar daha fazla ısınacak (Uzay Mekiği ısı haritasına bakınız). Bu sebeple Yıldız Gemisi’nin gerçek terleme gereksinimlerini ancak rüzgar tüneli ve uçuş testleriyle anlayabiliriz.

İlgili yazı: Mars için Yeni Nükleer Reaktör Kilopower

 

Sprey sistemi kullanmak

Belki de terleyen Yıldız Gemisi kanatçıklarını su veya sıvı metan püskürterek soğutabiliriz; yani kanatçıklara mikroskobik gözenekler açmak yerine bunlara dışarıdan sıvı püskürtebiliriz.

Sonuçta ısı kalkanı kullanmayan kanatçıklar hafif olur. Böylece biz de ısı kalkanının ekleyeceği ağırlığın, iniş sırasında atmosferde sallanacak olan kanatçıkları yıpratmasını önleriz ve bunun sonucunda kanatçıkların türbülansta kırılıp kopma riski azalır.

Nitekim Yıldız Gemisi’nin burun kısmındaki kanatçıklar kritik öneme sahiptir. Bunlar sürtünme nedeniyle koparsa uzay aracı atmosferde kontrolden çıkarak takla atıp parçalanacaktır.

İlgili yazı: Curiosity Mars’ta Organik Moleküller Buldu

 

Toparlayacak olursak

Buraya kadar okuduklarımızdan ne anlıyoruz? Uzay gemisini iniş sırasında soğutmanın çok önemli olduğunu ve yakıttan tasarruf etmek için bu sistemin hafif olması gerektiğini anlıyoruz. Ayrıca roketin inişte dengesini bozmayan bir çözüm bulmamız gerektiğini görüyoruz.

Bütün bunlar Mars’a insan göndermeden önce çözmemiz gereken önemli mühendislik problemleridir. Ancak, şimdiden kullanmaya başladığımız yenilikçi fikirlerimiz var: Örneğin, Mass Effect Üçlemesi video oyununda, uzay firkateyni Normandiya, uzaya sıvı lityum damlacıkları püskürterek kendini soğutuyordu. Tabii burada geminin dışını soğutmaktan değil, içini soğutmaktan söz ediyoruz.

Bunu Uluslararası Uzay İstasyonu (ISS) astronotları iyi biliyor: Uzay soğuk; ama uzay araçlarının güneş gören yüzü 230 dereceye kadar ısınıyor. Üstelik uzayda hava olmadığı için istasyonda çalışan makineler, bilgisayarlar ve insanların ürettiği ısıyı dışarı atarak ISS’i soğutmak kolay olmuyor.

Ben de uzay gemilerinin içini soğutma teknolojilerini ayrı bir yazıda anlatacağım; ama şimdilik gemileri iniş sırasında soğutmaya odaklanalım.

İlgili yazı: NASA Mars’ın Güney Kutbunda Göl Buldu

 

İki kez terlemek

İnsanlar su içtikleri sürece terleyebilirler. Anlaşılan uzay gemileri de su içtikçe terleyecekler. Yapılan hesaplamalar da terleyen Yıldız Gemisi’nin balast tanklarını terleme sıvısıyla iki kez doldurması gerektiğini gösteriyor. Kısacası 5 dakikalık Mars inişinde terleyen Yıldız Gemisi, yakıt tanklarından iki kez sıvı metan çekecek ve iki terleme döngüsünde en az 30 ton metan kullanacak (15 ton x 2).

Bu da büyük problem

Terleyen Yıldız Gemisi Mars’a en az 100 ton yararlı yük taşımak zorunda. Oysa yakıta ek olarak 30 ton soğutma sıvısı taşıdığı zaman, geminin yararlı yük kapasitesi iyice azalacak. Bu da erzak, ekipman ve yedek parça kapasitesini azaltacak. Açıkçası su ve oksijen tanklarıyla birlikte 70 ton yararlı yük Mars’a 40-100 kişi göndermeye yetmez. Peki bu sorunu nasıl çözeriz?

Anlaşılan yine su yerine sıvı metan kullanarak çözeceğiz: Buraya kadar sıvı metanın sudan daha etkili bir soğutucu olduğunu gördük. Ancak, meseleye hep yakıt tasarrufu ve maliyet açısından baktık. Oysa uzay gemisini soğutmak için az miktarda metan yeterli oluyorsa Yıldız Gemisi’nin yararlı yük kapasitesini de artırmış olacağız.

Ancak, bunu rüzgar tünelinde test etmek zorundayız: Elbette ki terleyen yıldız gemisi sudan daha az metan taşıyarak kendini daha etkili şekilde soğutabilir; ama sıvı metanın sudan daha yoğun ve daha ağır olduğunu hatırlayalım.

Oysa bizim uzay gemisini sadece 10 ton metanla (her biri 5 ton soğutucu sıvı kullanan iki terleme döngüsüyle) soğutmamız gerekiyor. İşte asıl sorun da burada. Ne yaparsak yapalım gemiyi yalnızca 10 ton metanla soğutamayız.

İlgili yazı: Mars’ı Dünyalaştırmak için Yeterli Karbondioksit Var mı?

 

Öyleyse ne yapacağız?

Sadece daha verimli bir soğutma sıvısı kullanmakla yetinmeyerek mühendislik bilgilerimizi zorlayacak ve çok daha etkili soğutma teknikleri geliştireceğiz. Öyle ya, Mars yolculuklarında ekonomik olarak kullanabileceğimiz teknolojinin sınırlarına ulaşırsak geriye tekniğimizi geliştirmek gerekiyor. Hani deriz ya bu futbolcunun fiziği iyi, ama tekniği zayıf; işte onun gibi bir şey:

Kurtar bizi çelik

Mars’a terleyen Yıldız Gemisi göndermek istiyorsak bu gemiyi çelikten imal etmemiz şart ve bakın neden?

• Isı kalkanı kullanmak pahalı ve gemiyi ağırlaştırıyor dedik.
• Kanatçıkları ısı kalkanı yerine sıvı metan püskürterek soğutmak verimli değil ve metan tüketimini artırıyor dedik.
• Terleyen Yıldız Gemisi’ni soğutmak için en az 30 ton metan lazım, bu da geminin yararlı yük kapasitesini azaltıyor dedik.
• Geminin dışını iniş sırasındaki o kritik 5 dakika boyunca oda sıcaklığında soğutmak metan tüketimini çok artırıyor dedik.
• Ancak, dış sıcaklığı sadece 100 dereceye kadar soğutsak bile 30 ton metanın altına inemediğimizi de belirttik. Peki geriye ne kaldı?

300 derece

Çelik 300 derece değil, yaklaşık 1500 derecede eriyor; ama 1200 derecede bile plastik gibi yumuşuyor. Bununla birlikte terleyen Yıldız Gemisi’ni 300-600 dereceye kadar soğutursak hem geminin iniş sırasında plastik gibi yumuşayıp parçalanmasını önleriz, hem de soğutma için metan tüketimini 10 ton ile sınırlayabiliriz!

İlgili yazı: Opportunity Mars’ta Yaşam Bulacak mı?

 

Dahası akıllı soğutma var

Ayrıca yukarıdaki uzay mekiği ısı haritası görseline tekrar bakacak olursanız, iniş sırasında aracın sadece belirli bölümlerinin ısındığını göreceksiniz.

Her ne kadar Yıldız Gemisi gövdesinin daha büyük bir kısmı ısınacak olsa da maksimum soğutmayı aracın kanatçıkları ve köşeli yerleri gibi alanlarla sınırlarsak metandan daha fazla tasarruf edebiliriz. Bunu kışın oturmadığınız odaların kaloriferlerini kısmak gibi düşünebilirsiniz. Bu durumda akıllı soğutmayı 600 derecelik genel soğutmayla birlikte kullanırsak ideal 10 ton metan sınırına ulaşabiliriz.

Vay canına! Mars’a gitmek ne kadar zormuş! Düşünün; Mars yolcularının psikolojik riskleri, radyasyon ve sağlık risklerini yazıya katmadık bile. Sadece geminin dış kısmını soğutmaktan söz ediyoruz. Yine de terleyen Yıldız Gemisi teknolojisinin çalışıp çalışmayacağını test etmeden bilemeyiz. Neyse ki SpaceX bunun için bir test roketi inşa etti bile.

İlgili yazı: Mars’a Kış Uykusuna Yatarak Gideceğiz

 

Teksas test çekirgesi

SpaceX şirketi Teksas eyaletindeki tesislerinde bir test roketi inşa etti. Küçük boyda kaba çelikten üretilen ve test çekirgesi (test hopper) olarak adlandırılan bu roket 2019 baharından itibaren test uçuşları yapacak.

Her ne kadar çekirge bir sıçrar, iki sıçrar desek de test çekirgesi daha ilk uçuşunu yapmadan yere devrildi. Çarşamba günü, lanet olası federaller, pardon saatte 80 km ile esen Teksas rüzgarları; test çekirgesinin bağlantı kelepçelerini kırarak aracı yan devirdi. Bu da roketin özellikle burun konisinin hasar almasına neden oldu.

Öyle ki onarımlar ve kalite kontrolle birlikte test uçuşları ancak Mayıs ayından sonra başlayacak. Her durumda test çekirgesi şimdilik sadece roket motoru ve uçuş testleri yapacak. Terleme sistemi henüz fikir kazanında ve rüzgar tüneli testi aşamasına gelmesi de 2020’yi bulacak. Sonra sistem test çekirgesi üzerinde denenebilir.

İlgili yazı: Neden Mars’ta Koloni Kuramayız?

 

BFR roketi nasıl çalışıyor?

Buraya kadar 2024-2030’dan itibaren Mars’a 40-100 insan götürecek olan SpaceX terleyen Yıldız Gemisi hakkında bilgi verdik. Yazımızı sonlandırmadan önce, konu bütünlüğü açısından Yıldız Gemisi’ni fırlatacak olan SpaceX BFR roketi (Koca Roket) hakkında da kısaca bilgi verelim.

En az 10 kez yeniden kullanılmak üzere üretilecek olan BFR, 70 metre yüksekliğinde olacak ve alçak dünya yörüngesine (160–2000 km yükseğe) 150 ton yararlı yük taşıyabilecek. BFR, Yıldız Gemisi’ni insanlar ve yararlı yükle birlikte Dünya yörüngesine fırlatacak.

Ancak, geminin tam dolu ağırlığı 185 tonu bulduğu için Yıldız Gemisi’ni yakıt tankları boş olarak fırlatacak. Ardından sadece yakıt taşıyan, ama yolcu ve yük taşımayan ikinci bir Yıldız Gemisi’ni uzaya gönderecek. Bu tanker gemisi, Mars’a gidecek olan Yıldız Gemisi’ne yörüngede yakıt ikmali yapacak.

Mars’a gidip geri dönmek için gereken yakıtı ve soğutma sıvısını gemiye yükleyecek. Mars’a gidecek Yıldız Gemisi uzayda kelebek kanatlarına benzeyen güneş panelleri açacak. Böylece güneş ışığından elektrik üretecek. Aynı zamanda bunları termal yelpaze olarak kullanıp geminin içini soğutacak.

İlgili yazı: Insight Sondası Dün Mars’a İndi

 

Maliyetli yolculuk

Yıldız Gemisi, Mars’a saatte 100 bin km’den daha yüksek bir hızda uçacak. Böylece Mars’a 1-2 ayda ulaşacak. Yolculuk süresinin kısaltılması çok avantajlı olacak:

• Erzak, su, yiyecek miktarını azaltacağız.
• Ölümcül radyasyon riskini azaltacağız.
• Yerçekimi yokluğundan kaynaklanan kemik-kas erimesi, göz tansiyonu, kalp deformasyonu, beyin kanaması, görme kaybı riskini azaltacağız.
• İnsanların uzayda kapalı kalmasından kaynaklanan psikolojik ve fizyolojik sorunları azaltacağız.
• Kaza ve arıza ihtimalini azaltacağız.
• Yıldız Gemisi Mars’a daha sık sefer yaparak yolculuğun lojistik maliyetlerini azaltacak.

İlgili yazı: Yaşadığımız Evren Nasıl Yok Olacak?

 

Ek tasarruf tedbirleri

Mars’a önce sadece yakıt ve yük taşıyan, ama insan taşımayan bir terleyen Yıldız Gemisi gönderebiliriz. Bunun iniş sırasında soğutma masrafları daha az olur ve yararlı yük kapasitesi artar. Dahası Mars’ta yedek yaşam modülü, acil durumda Dünya’ya geri dönmek için kurtarma filikası ve acil durum erzak-yakıt deposu olarak çalışır. Diğer Yıldız Gemisi Mars’a gelince ona destek olur.

Üstelik bunu sadece Mars’a ilk insanlı yolculuktan önce yapmamız yeterli. Ondan sonra Mars’a giren her gemi bir sonraki seferin yedek gemisi gibi çalışacak. Böylece her seferinde yük gemisi göndererek uçuş maliyetlerini ikiye katlamamış olacağız.

Elon Musk’a göre BFR roketi tam ölçekli prototip halinde üretilecek. Sadece Mars için değil, New York-İstanbul arasında sesten 10-15 kat hızlı giderek 30 dakikada yolcu taşımak için de Yıldız Gemisi fırlatacak.

BFR Ay turizmi, Ay madenciliği, Ay yörünge istasyonları, Ay üsleri ve Ay helyum 3 madenciliği ile Ay tarımı için gereken yükleri de ayrı bir kargo bölmesi ile uzaya fırlatacak. Her ne kadar Elon Musk’ın 2024’te Mars’a insan göndermesi gerçekçi değilse de BFR ve Yıldız Gemisi’nin insansız test uçuşlarına 2023’te başlaması mümkün görünüyor. BFR’nin 2020’ye yetişme olasılığı ise yüzde 60.

SpaceX ve rakibi Blue Origin

İlgili yazı: Çin Sondası Ay’ın Öte Yüzüne İndi

 

Peki ne zaman uçuyor?

Terleyen Yıldız Gemisi Mars’a her seferinde 40 ila 100 kişi taşıyacak. 100 kişi istikrarlı bir koloni için daha güvenli olsa da ben ilk insanlı uçuşun 40 kişiyi aşmayacağı kanısındayım. Ancak, lojistik teknik ve teknolojilerini geliştirirsek 100 kişiyi bulabiliriz.

Buna ek olarak Yıldız Gemisi’nin ilk insanlı uçuşunu 2035’den önce gerçekleştirebileceğini de sanmıyorum. İnsanlı uçuşlar için çözülmesi gereken çok sayıda can güvenliği sorunu var. Bununla birlikte terleyen Yıldız Gemisi ile 2023’te uzay turizmi ve Ay turizminin başlayacağı kanısındayım.

Ay ve Asteroit madenciliğinin ise 2030’da başlayacağını düşünüyorum. Peki insanlar Mars’a nasıl gidecek? Onu da Mars’a kış uykusuna yatarak gideceğiz yazısında okuyabilir ve Mars’a yerleşmenin zorluklarına Neden Mars’ta Koloni Kuramayız? yazısında göz atabilirsiniz.

Öyleyse asteroit madenciliği ne zaman başlayacak? Uzay 1999 dizisindeki Ay Üssü Alfa ne zaman kurulacak ve Çin Ay’dan helyum 3 çıkararak nükleer füzyona dayalı endüstri 5.0’ı nasıl başlatacak? Peki 1969’da Ay’a gerçekten insan gönderdik mi? Doğrusu bu hafta sonu okuyacak yazı bol. Keyifli dinlenceler.

BFR ve Yıldız Gemisi

¹Elon Musk BFR ve uzay gemisi güncellemesi
²Making the Life Interplenatary