Işık Hızının Yüzde 99’una Ulaşan Sarmal Motor
NASA Marshall Uzay Uçuşları Merkezi Yöneticisi David Burns ışık hızının yüzde 99’una erişilebilecek yeni bir sarmal motor tasarladı. Abartılı haberlerin tersine, bu yenilikçi iyon motoru bir devridaim makinesi değil ve kesinlikle fizik yasalarını çiğnemiyor; ama neredeyse sürtünmesiz hızlanma sağlıyor. Bizim de komşu yıldızlara ulaşmak için ışık hızına yaklaşan roketlere ihtiyacımız bulunuyor.
Neden ışık hızının yüzde 99’u?
Uzay çok büyük ve bize çok hızlı roketler lazım. Örneğin, Dünya’ya en yakın yıldız Proxima Centauri 4,23 ışık yılı uzakta; ama Dünya benzeri yaşanabilir gezegenler bulmak istiyorsak 100 ışık yılı çapındaki bir alana yayılmamız gerekiyor. Sarmal motor şimdilik kağıt üzerinde geçerli; fakat iyonize roket egzozu kullanıp neredeyse sürtünmesiz gaz akışı ürettiği için ışık hızının yüzde 99’una ulaşabiliyor.
Elbette elimizde yine kağıt üzerinde olan ve çok daha çabuk üretebileceğimiz nükleer termal roketler ve nükleer füzyon roketleri var. Bunlar da ışık hızının yüzde 8 ila 12’sine erişebildiği için kırmızı cüce Proxima Centauri’ye bir insan ömrü içerisinde ulaşmamıza izin veriyor; ancak bunlar bile uzayda yavaş kalıyor. Bu da bilim insanlarının şevkini kırıyor.
Nitekim başka bir yıldız sisteminde Dünya benzeri ilk gezegeni meslektaşıyla birlikte bularak Nobel fizik ödülünü paylaşan astrofizikçi Michel Mayor, insanların öte gezegenlere asla yerleşemeyeceğini; çünkü çok uzak olduklarını söylüyor. Ancak, daha şimdiden nükleer füzyon roketleri tasarladığımız için ben iyimserim. Öyle ki 30 yıl içinde hem ortalama ömrü 100 yıla çıkaracağız, hem de astronotları yapay kış uykusuna yatırarak uzun yolculuklarda yaşlanmayı geciktireceğiz. Daha önce kendimizi yok etmezsek önümüzdeki 100 yılda komşu yıldızlara gidebileceğiz.
En verimli roketi üretmek
Oysa Mayor’ın haklı olduğu başka bir nokta var. O da yıldızlararası roketlerdeki enerji verimliliği sorunu. Neden ışıktan hızlı gidemeyiz yazısında belirttiğim gibi, ışık hızına yaklaşan cisimlerin boyu hareket yönünde kısalır ve kütlesi sonsuza yaklaşır. Öyle ki ışık hızına ulaşmak için sonsuz enerji harcayarak sonsuza dek ivmelenmemiz gerekir. İşte NASA yöneticisi Burns’ün geliştirdiği sarmal motor bu sorunu kısmen çözüyor: Çok uzun süreli hızlanma ile ışık hızının yüzde 99’una erişiyor.
İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili
Sarmal motor nasıl çalışıyor?
Burns’ün sarmal motor tasarımını kafanızda canlandırmak için sürtünmesiz yüzeyde duran bir kutu düşünün. Öyle ki bu kutu prensipte enerji kaybetmeden ileri-geri hareket edebilsin. Kutunun içinde yatay bir çubuk ve çubukta da ileri geri oynayabilen bir halka olsun. Ayrıca çubuğun her iki ucunda birer yay bulunsun. Sonuçta halkayı yayla itersiniz ve karşıdaki yaydan sekerek geri gelir.
Normalde böyle bir motorla asla itiş sağlayamazsınız; çünkü Newton’ın etki-tepki yasası gereği her itiş, eşit ölçüde geri sekme üretir. Böylece sistemin toplam momentumu değişmez. Siz de roketi ileri iten net bir güç üretemezsiniz. Bu, arabayı içinde otururken ileriye itmeye çalışmak veya yelkenli yatı teknenin üstüne yerleştirdiğiniz bir fanın rüzgarıyla itmeye benzer. İşe yaramaz; çünkü:
Enerjinin korunumu yasasından türetilen termodinamiğin ikinci yasasına göre enerjinin tamamını yararlı işe dönüştüremezsiniz. Evrende üç kuruşa beş köfte, yani bedava enerji yoktur. Makineler bir yerden aldıkları enerjiyi, kendi içinden geçirip başka yere aktarırken iş yaparlar. Bu aktarma zorunluluğu da enerjinin tamamının yararlı işe dönüşmesini önler. Enerjinin bir kısmı da atık ısı olarak uzaya kaçıp ziyan olur. Burns’ün sarmal motoru da basit bir kapalı sistem olsaydı asla çalışmazdı.
Ancak sarmal motor açık sistemdir
Neden derseniz, bu düşünce deneyini Einstein’ın özel görelilik teorisini işin içine katarak açıklayalım. Işık hızının yüzde 99’una erişen bir roket motoru yapmak için Einstein imdadımıza yetişsin. Bildiğiniz gibi ışık hızına yaklaşan cisimlerin kütlesi artar. Peki ya kutumuzun içindeki çubukta yer alan halkanın kütlesi çubuğun sağında artarken solunda azalıyorsa ne olacak? Kütle farkı net itiş gücü sağlamaz mı? Kesinlikle sağlar ve bunun için tek yapmanız gereken halkayı ışık hızına yakın hızda itmektir.
İlgili yazı: Mars’a Gidecek Yıldız Gemisi Neden Çelikten Yapıldı?
Sarmal motor ve özel görelilik
Öte yandan, elimden küçük olan bir halkayı bile ışık hızına yakın hızlara çıkarmak muazzam çaba ve enerji ister. Hatta bunu yapabiliyorsak halkayı roket motoru olsun diye kutunun içinde ileri-geri hareket ettirmeye de gerek yok. Halkayı bu kadar hızlı itebiliyorsak minyatür uzay sondasına dönüştürüp evrene fırlatırız. O da ışık hızının yüzde 99’u ile giderek en yakın öte gezegenleri keşfeder.
Oysa bizim detaylı araştırmalar için daha büyük yıldızlararası sondalara ihtiyacımız var ve insanların sadece zihnini bilgisayara yükleyerek dijital avatarlarımızı komşu yıldızlara göndermekle sınırlı kalmak istemiyorsak bize tam boy insanlı yıldız gemileri lazım. O zaman bunları itecek sarmal motor da farklı bir tasarımda olmalı. Sahi, bu motora neden sarmal motor diyoruz?
Bu kez kutumuzun içindeki çubuğu yatay ve uzun boylu bir sarmalla değiştiriyoruz. Hani helezon amortisörler var ya, onun gibi düşünün. Halkayı da çöpe atıyoruz. Bunun yerine helezonun tüp şeklinde imal edip içinden iyonize atom çekirdekleri geçiriyoruz (işte size sarmal motor!).
Kısacası helezon tüp aslında bir parçacık hızlandırıcısı oluyor ve iyonları ışık hızının yüzde 99’u ile hızlandırıyor. Böylece iyonların soldan sağa giderken kütlesi artırıyor. Ha bir de motora geri besleme mekanizması takıyoruz. Öyle ki bunlar helezonun öbür ucundan uzaya kaçmak yerine başa dönüyor. Tabii yavaşladıkları için iyonların kütlesi azalarak orijinal haline geri geliyor.
Bu yüzden açık sistem
Işık hızına yaklaşan parçacıkların kütlesinin helezonun bir ucunda artması ve diğerinde yavaşlaması motoru açık sistem haline getiriyor. Bu sefer kütle artışı, motor için dışarıdan ek enerji girdisi oluyor. İyonların vakum helezon tüpte gitmesi de sürtünmeyi ortadan kaldırıyor. Peki sarmal motor yüzde 100 verimli olan ve tümüyle sürtünmesiz çalışan bir sistem mi? Kesinlikle değil.
İlgili yazı: Gerçek Adem: ilk insan ne zaman yaşadı?
Sarmal motor sonsuz (?) ivmelenme
Bir kere evrende yüzde 100 vakum yaratamayız. Hatta E=mc2 yüzünden boş uzayın bile ağırlığı vardır. Kısacası evrende kusursuz vakum yoktur. Bomboş uzayın bile enerjisi 0’dan büyüktür. Ayrıca iyonları ışık hızına yaklaşacak kadar hızlandırmak için bize muazzam enerji gerek.
Eh, iyonların sarmal motorun helezon tüpünü öbür ucundan delip dışarı kaçmasını önlemek için yavaşlatmak üzere yine muazzam enerji harcayacağız. Sürtünmeyi neredeyse sıfıra indirgeyerek iyonları kolayca (!) hızlandırmak için helezon tüpün içinde süper verimli manyetik alanlar da yaratacağız…
Sonuç olarak sarmal motor 200 metre boyunda ve 12 metre çapında olmalı. Üstelik 1 newton itiş gücü sağlamak için 165 megawatt enerji üretmeli! 😮 Düşünün ki astronotları Mars’a götürecek SpaceX Yıldız Gemisi’ni yörüngeye fırlatacak olan Super Heavy birinci kademe fırlatıcısı Dünya atmosferinde 72 meganewton itiş üretiyor. Bizim de bu güce ulaşmak için sarmal motorda 165 bin terawatt enerji üretmemiz gerekiyor! Bunu nükleer füzyonla bile yapmak imkansız olabilir.
İlgili yazı: İnternetinizi Uçuracak En İyi 10 Modem
Peki sarmal motor çalışacak mı?
Hayır, sarmal motor hiçbir roketi tek başına ışık hızının yüzde 99’una hızlandıramaz. Bunun için yıllar ve yıllar boyunca sürekli hızlanması, o sırada da kesintisiz olarak 165 bin terawatt/saat güç üretmesi gerekir. Bunun için yakıt ve enerji gerekir!
Ancak, Burns’ün belirttiği gibi kolayca gözden kaçabilecek bir nokta var: Sarmal motor tasarımını nükleer füzyon roket motorlarında kullanabiliriz. Böylece füzyon verimliliğini artırarak ve roket çanlarından çıkan egzoz gazı akışını optimize ederek füzyon roketlerini az yakıtla daha çok hızlandırabiliriz.
Bunun da iki yararı olur: Ya ışık hızının yüzde 5’i ile daha uzun süre giden füzyon roketleri yaparız ya da ışık hızının yüzde 12’sine, elektron atımlı lazerler gibi yüksek enerjili sistemler kullanmadan erişen süper verimli roketler üretiriz. Her iki durumda da komşu yıldızlara bir insan ömrü içerisinde ulaşabilecek gerçek füzyon roketleri geliştirebiliriz. Gerisi uzayı keşfetme arzu ve irademize kalır. 🙂
Nitekim Burns, bu motoru NASA’nın desteğini almadan kendi başına geliştirdi. İnsanların uzayı keşfetmesini sağlamak için en düşük ihtimalleri bile değerlendirmeli ve en zor şartlarda çalışmalıyız dedi. Ben de uzayın kapılarını bu tür çılgınların (sadece tutucuların gözünde çılgın olan zeki insanların) açacağına inanıyorum ki Burns de aynı heyecanı paylaşıyor:
İlgili yazı: Yapay Zeka Nedir ve Nasıl Çalışır?
Bizzat Burns diyor ki
“Bu çabaların sonucunda, güya devridaim makinesi olan EM sürücüsü ve soğuk füzyonu tasarlayanların durumuna da düşebilirim. Ancak, utanç verici bir duruma düşmeye de hazırlıklı olmalısınız. Dünyada gerçekten çalışan yepyeni bir şey icat etmek çok zordur.”
Peki ışık hızına asla çıkamayacak olsak da Uzay Yolu’ndaki Warp Sürüşü ile ışıktan hızlı yolculuk ederek galaksiye yayılmak mümkün mü? Işıktan hızlı yolculuk teorilerini şimdi okuyabilir ve Lazer Füzyon Roketi Daedalus ile Yıldızlara Yolculuğu hemen araştırarak hall etkili gerçek iyon motorlarına bakabilirsiniz. Enerjik ve sağlıklı bir hafta olsun.
