Kategoriler
Bilim & İnsan

İyon motoru: Nedir, nasıl çalışır ve gelecekteki önemi

İyon motorunun ne olduğundan, öneminden ve nasıl çalıştığından bahsedelim. Biraz hidrojen veya kerosen yakarak çalıştırdığınız kimyasal roketler artık ilkelleşiyor. Çünkü yeni roket tahrik sistemleri geliştiriliyor ve elektromanyetik alan yoluyla atomların hızlandırıldığı iyon motoru bunlardan biri. Birkaç uzay aracı halihazırda bu egzotik iticilere sahip ve Güneş Sistemi'nin keşfini içeren bazı en şaşırtıcı görevleri yürütüyorlar.

Kimyasal motor neden eskidi?

Tonlarca sıvı veya katı yakıt alıp bunları bir oksitleyici ile karıştırıp ateşlediğiniz ve oluşan gazın ters yönlü hareketiyle yükseldiğiniz kimyasal roketler bir iyon motorun yanında ilkeldir. Kendi oksitleyicisini yanında getirdiğinden uzaydaki havasız ortamda bile çalışabilen roketlerin avantajı kısa sürede muazzam miktarda enerji vermesidir. Tonlarca ağırlıkta bir nesneyi Dünya'dan uzaya fırlatmak için ihtiyaç duyulan türden bir güç ancak inanılmaz derecede verimsiz. 550 tonluk Falcon Heavy'nin yaklaşık 400 tonu yakıt ve oksitleyicidir. İlk yanma aşaması 162 saniye sürer ve ikinci aşama 397 saniye alır. Bu toplam 9,5 dakikalık bir yanma süresidir. Daha fazla manevra yapmanız mı gerekiyor? Şansınız yok, çünkü yakıtınız bitmiştir.

İyon motoruna merhaba

Güçlü iyon motoruyla donatılmış bir uzay aracı konsepti.
Güçlü iyon motoruyla donatılmış bir uzay aracı konsepti.

Uzayda günlerce, haftalarca hatta aylarca hızlanmak istiyorsanız bunun için iyon motoruna ihtiyacınız var. Bilim adamları kimyasal roketlerdeki bu eksikliğin özellikle farkındaydı ve bu yüzden uzun yıllar uzay yolcuğunu mümkün kılacak yeni tahrik biçimleri aradılar. En başarılı cevap iyon tahrik teknolojisi oldu.

Bir roket denkleminde önemli bir faktör itici gazın fırlatılma hızdır. En verimli kimyasal roket, gazı 5 km/saniye hızla fırlatır. İyon motorları atomları saniyede 90 kilometre hızla fırlatıyor. Bu yüksek hız, uzay aracına çok daha verimli şekilde ivmelenmesini sağlar. En iyi kimyasal roketlerin yakıt verimliliği %35'ken iyon motor %90 verimliliğe sahip.

İLGİLİ:  Roket hava olmayan uzayda nasıl uçuyor?

İyon motoru nasıl çalışır?

Sıcak gaz yerine iyon fırlatma fikri kulağa bilim kurgu gibi geliyor olabilir. İyonlar elektron kaybederek veya kazanarak elektrik yükü alan atomlar veya moleküllerdir. İyon motoru, elektron kaybetmiş pozitif yüklü iyonlar yayıyor.

İyonları manyetik alanla döndürerek hızlandırabilir ve muazzam bir hızda fırlatarak uzayda ilerleyebilirsiniz. Peki bu iyonlar nereden geliyor? İyon iticiler uzay aracının içinde plazma oluşturarak iyon meydana getirir. Bunu ksenon gibi gazlardaki nötr itici atomları elektronla bombalayarak yapar. Bu çarpışma itici gazdan daha fazla elektron salar ve onları pozitif yüklü iyonlara dönüştürür.

Elektronlardan ve pozitif yüklü iyonlardan oluşan bu plazma çorbası toplamda nötr yüke sahiptir. Elektronların haznede tutulması iyonlaşmayı sürdürülürken, pozitif iyonlar haznenin sonundaki ızgaradan sifonlanır. Izgaradan geçerken karşılaştıkları yüksek voltaj uzay aracının arkasından 90 km/saniye'ye varan hızla fırlamalarını sağlar. Uzay aracı geriye fırlattığı her iyonize parçacık ile ileriye gider (Newton'ın etki-tepki yasası).

İyon motorunun gücü ve avantajı

Next-C iyon motoru.

İyon motoru şu anda çok güçlü değil. Bu motorda tüm sistem güneş paneli ile çalışıyor, bu nedenle uzay aracının kendisinin herhangi bir pil veya güç sistemine ihtiyacı yok. Bu da uzay aracının ağırlığını azaltıyor. Sorunsa ileriye gidiş etkisinin küçük olmasıdır. İyon motorun sağladığı itiş kuvveti milinewton gibi 1 Newton'ın binde biri ile ifade ediliyor. Elinizde bir parça kağıt tutarken bir milinewton güç harcarsınız. Roketi Dünya'dan kaldırmak için yer çekimi kuvveti olan 98 Newton'ı aşmanız gerekir. Yapılmış en güçlü roket olan Saturn V 34,5 milyon Newton güç üretmişti. Ancak kimyasal roketlerin yakıtı dakikalar içinde bitebilirken iyon motorlar günler, haftalar, hatta aylarca çalışmaya ve hız sağlamaya devam ediyor.

İLGİLİ:  Grafen nedir? Kullanım alanları, üretimi, grafen pil ve aerojel

Dolayısıyla, eğer gezegenin yerçekiminden çıkmışsanız uzayda ilerlemek için çok verimli motorlardır. NASA ve birçok uzay ajansı iyon motorları çeşitli görevlerde çok başarılı şekilde kullandı. Bu iyon itici konseptini onlarca yıldır geliştiriyorlardı.

NASA 1998'de başlattığı Deep Space 1 ile birçok yeni ve riskli teknolojiyi denemiştir. Deep Space 1, NASA'nın test etmek istediği 12 yeni teknolojiyle donatılmıştı. Düşük güçlü elektronikler, güneş yoğunlaştırıcı diziler, çeşitli bilimsel araçlar ve güneş enerjisiyle çalışan elektrik tahrik sistemi gibi. Aracın motoru çok uzun süre aktif kaldı ve asteroit, kuyruklu yıldız ve hatta Mars'ı yakından gözlemlemeyi sağladı. Sonraki Dawn görevinde ise uzay aracına Deep Space 1'deki teknolojinin iki katı eklendi ve de üç yedek iyon motoru konuldu.

Bunlar, uzay aracının asteroid Vesta'nın yörüngesine girmesini, gözlem yapmasını, ardından yörüngeyi kırarak asteroit Ceres'e seyahat etmesini ve daha da fazla gözlem yapmasını sağladı. Tankta hala daha fazla asteroiti ziyaret etmeyi sağlayacak yakıt olduğu düşünülüyor. İyon motorunun ne kadar yavaş olduğuna dair fikir vermek için Dawn'ın 0'dan 100 km/sa hıza çıkması 4 gün sürmektedir. İyon iticiler, ESA'nın Smart 1 uzay aracını Dünya yörüngesinden Ay yörüngesine çıkarmada ve Japon Hayabusa uzay aracında kullanıldı. İyon motorları 5 yıl kesintisiz çalıştırılarak Dünya'da test edilmiştir.

Güneş paneli yerine nükleer reaktör

Bu başarılar nedeniyle gelecekte iyon iticilerle donatılmış daha da fazla uzay aracı olacak ve iyon motorun kendisi de daha güçlü ve becerikli hale geliyor. İyon motorlarının ürettiği itme kuvvetini artıracak yöntemler var. İyonları hızlandırmak için kullanılan elektrik miktarını artırmak bunun bir yolu. NASA, güneş paneli yerine nükleer reaktörle çalışan iyon motoru tasarlamayı düşünüyor.

İLGİLİ:  Güvercin ve tavuk neden başını öne sallayarak yürür?

NASA yaklaşık 15 yıl önce Jüpiter Buzlu Aylar Yörüngesi adında bir görevi planlamıştır. Nükleer Elektrikli Xenon İyon Sistemi (veya NEXIS) motoruyla çalışan bir uzay aracı Jüpiter'in buzlu büyük uydularını keşfedecekti: Ganymede, Callisto ve Europa. Ancak muhtemelen iyon motorunun kısıtlaması nedeniyle görev 2005'te iptal edildi. Yine de iyon motoru uzun bir yol gelmiştir ve NASA son olarak bir X3 iyon motoru geliştirmiştir. Selefler Newton'ın binde biri güç üretirken yeni X3 motoru 5,4 Newton güç üretmeyi başardı.

İyon motorun geleceği

Bu güç hala çok düşük ve bu yüzden Dünya'dan kalkış yapmaya hala uygun değil. Bir süre daha bu iş için kimyasal roket motoruna güveneceğiz. Ancak yeterince güçlendiğinde insan astronotları Mars'a taşıyacak ve uçuş sürelerini birkaç aya kadar indirecek teknoloji iyon motoru olacak. İyon motorlara dair son zamanların en etkileyici fikri Avrupa Uzay Ajansı tarafından geliştirilmekte olan ve "havayla" çalışan bir motordur.

ESA'daki mühendisler düşük Dünya yörüngesindeki bir uzay aracının atmosferden hava moleküllerini çekmesi ve ardından onları iyonize ederek iyon motorlu taşıta fırlatmasını planlıyor. Böylece taşıtın herhangi bir itici gaz taşıması gerekmiyor. Dahası uzay aracı elektriğini sınırsız güç enerjisinden ve yakıtını da atmosferden almış oluyor ve uzun süre yakıt ikmali yapmadan çalışabiliyor.

Böyle bir teknoloji sadece Dünya'da değil, Mars'ta, Venüs'te veya Titan'da kullanılabilir. Yani atmosferi olan her yerde. İyon motorları halihazırda uzay araştırmalarını değiştirdi ve önümüzdeki birkaç yıl içinde daha fazla iyon motorlu uzay aracı göreceğiz. Hatta önümüzdeki yıllarda insan astronotları Dünya'dan Mars'a taşıyacak motorlar bu olabilir.

Yazar Berkay Alpkunt

Coğrafya ve astronomi üzerine geniş kapsamlı içerikler hazırlıyor. Diğer ilgi alanları canlı hayatı, bilim tarihi ve ülkeler olarak sıralanır. Aynı zamanda bağımsız video oyunlarına ilgilidir.