Manyetohidrodinamik Tahrik Mars’ta Yakıt İstasyonlarına Yol Açabilir
Önümüzdeki on beş yıl içerisinde NASA, Çin ve SpaceX Mars’a ilk mürettebatlı görevleri göndermeyi planlıyor. Her üç durumda da, bu görevlerin birçok geri dönüşe ve – büyük olasılıkla – kalıcı insan yerleşimlerine izin verecek yüzey habitatlarının oluşturulmasıyla sonuçlanması amaçlanmaktadır. Bu da çok sayıda zorluğu beraberinde getirmektedir ki bunların en önemlilerinden biri bol miktarda solunabilir hava ve itici yakıt ihtiyacıdır. Her ikisi de elektroliz yoluyla üretilebilir; elektromanyetik alanlar oksijen gazı (O2) ve sıvı hidrojen (LH2) oluşturmak için suya (H2O) uygulanır.
Mars’ın yüzeyinde bunu mümkün kılan bol miktarda su buzu birikimi olsa da, mevcut teknolojik çözümler uzay araştırmaları için gereken güvenilirlik ve verimlilik seviyelerinin gerisinde kalmaktadır. Neyse ki Georgia Tech’ten bir araştırma ekibi, birden fazla işlevi hareketli parçası olmayan bir sistemde birleştiren “Mars Transferinde Hidrojen ve Oksijen Üretimi için Manyetohidrodinamik Tahrik” önerdi. Bu sistem uzay aracı itişinde devrim yaratabilir ve NASA’nın Yenilikçi Gelişmiş Kavramlar (NIAC) programı tarafından Faz I geliştirme için seçildi.
Teklif, Georgia Teknoloji Enstitüsü’nde yardımcı doçent olan Alvaro Romero-Calvo ve Georgia Tech Research Corporation’daki (GTRC) meslektaşlarından geliyor. Sistem, herhangi bir hareketli parça olmaksızın elektriksel olarak iletken sıvıyı (bu durumda su) hızlandırmak için elektromanyetik alanlara dayanan bir manyetohidrodinamik (MHD) elektrolitik hücre kullanmaktadır. Bu, sistemin mikro yerçekiminde oksijen ve hidrojen gazını çıkarmasına ve ayırmasına olanak tanıyarak zorunlu su devridaimine ve ilgili ekipmana (yani pompalar veya santrifüjler) olan ihtiyacı ortadan kaldırır.
Düşük yerçekimi bilimi, akışkanlar mekaniği ve manyetohidrodinamik konularında uzman olan Romero-Calvo ve ekibi, uzay uçuşları için MHD sistemlerinin uygulamalarını araştırarak uzun yıllar geçirmiştir. Konseptin fizibilitesini ve uygun bir oksijen üretim mimarisine entegrasyonunu değerlendirmek için özel bir çalışmaya duyulan ihtiyaç, nihayetinde tekliflerini motive etti. Daha önceki bir çalışmada Romero-Calvo ve yardımcı yazar Dr. Katharina Brinkert (Warwick Üniversitesi’nde Kimya profesörü), yerinde hasat edilen suyun araç fırlatma kütlelerini nasıl azaltacağını belirtmişlerdi.
Bununla birlikte, bu tür makinelerin mikro yerçekiminde çalıştırılmasının, çoğu mevcut araştırmalar tarafından ele alınmayan birçok bilinmeyen sunduğunu da belirttiler. Özellikle, mikro yerçekiminde kaldırma kuvvetinin olmamasının, oksijen ve hidrojen kabarcıklarını ayırma ve toplama ihtiyacı gibi büyük teknik zorluklara yol açtığını ve bunun geleneksel olarak zorunlu su devridaim döngüleri kullanılarak ele alındığını vurguladılar. Ancak bunun, uzayda karmaşık, verimsiz ve güvenilmez olan birden fazla unsur ve hareketli parçadan oluşan sıvı yönetim cihazlarına yol açtığını savundular. Romero-Calvo’nun yakın tarihli bir Georgia Tech haber bülteninde açıkladığı gibi:
“Sıvı pompalama için MHD kuvvetlerini kullanma fikri 1990 yapımı gerilim filmi The Hunt for Red October’da ele alınmıştır; filmde MHD sürücüsüyle çalışan gizli bir Sovyet denizaltısı Amerika Birleşik Devletleri’ne sığınmaktadır. Sean Connery’yi bir Sovyet denizaltı komutanı rolünde görmek eğlenceli olsa da, gerçek şu ki denizaltı MHD tahriki çok verimsizdir. Bizim konseptimiz ise tam tersine, zayıf MHD kuvvetinin baskın hale geldiği mikro yerçekimi ortamında çalışıyor ve görevi mümkün kılan yeteneklere yol açabiliyor.”
Geleneksel devridaim döngüleri yerine, önerilen MHD sistemi oksijen ve hidrojeni sudan ayırmak için iki farklı mekanizmaya dayanıyor. Bunlardan ilki, güçlü manyetik alanların varlığında ortaya çıkan ve manyetik kaldırma kuvveti etkisine neden olan diyamanyetik kuvvetlerden kaynaklanıyor. İkincisi, iki elektrot arasında üretilen akıma manyetik alan uygulanmasının bir sonucu olan Lorentz kuvvetleridir. Romero-Calvo’nun öneri makalesinde belirttiği gibi:
Her iki yaklaşım da potansiyel olarak minimum hareketli parçaya sahip ya da hiç hareketli parçası olmayan yeni nesil elektrolitik hücrelere yol açabilir ve böylece minimum kütle ve güç cezaları ile insan derin uzay operasyonlarına olanak sağlayabilir. Ön tahminler, işlevlerin entegrasyonunun %99 güvenilirlik seviyesi için Oksijen Üretim Düzeneği mimarisine göre kütle bütçesinde %50’ye varan azalmalara yol açtığını göstermektedir. Bu değerler, günde 3.36 kg oksijen tüketen standart dört mürettebatlı bir Mars transferi için geçerlidir.
Başarılı olması halinde bu HMD sistemi uzun süreli uzay yolculuklarında su ve oksijen gazının geri dönüşümünü mümkün kılacaktır. Romero-Calvo ve Georgia Tech’teki Daniel Guggenheim Havacılık ve Uzay Mühendisliği Okulu’ndaki diğer meslektaşları, başka bir makalede bu teknolojinin su bazlı SmallSat itiş gücü ve ISRU’nun bir zorunluluk olduğu diğer görev profilleri için de uygulamaları olabileceğini gösterdiler. Şu anda Romero-Calvo ve meslektaşları konsepti formüle etmiş ve analitik ve sayısal modeller geliştirmiştir.
Bir sonraki adımda ekip ve Giner Labs’daki (Massachusetts merkezli bir elektrokimyasal Ar-Ge firması) ortakları fizibilite çalışmaları yürütecek. Önümüzdeki dokuz ay boyunca, sistemin genel uygulanabilirliğini ve teknolojinin hazır olma düzeyini araştırmak için 175.000 dolar alacaklar. Bu çalışmalar öncelikle hesaplama çalışmalarından oluşacak ancak Dünya’daki temel teknolojileri test eden prototipleri de içerecek. Aşama I teklifi olarak, iki yıllık bir çalışma için 600.000 $ değerinde Aşama II fonu için de yarışmaya hak kazanacaklar.
Bu teknolojinin erken bir göstericisi, 19 Aralık 2023’te fırlatılan mürettebatsız bir görev olan New Shepard’ın (NS-24) 24. uçuşunda test edildi. Blue Origin ve Amerikan Yerçekimi ve Uzay Araştırmaları Derneği’nin (ASGSR) desteğiyle Romero-Calvo’nun ekibi mıknatısların mikro yerçekimi koşullarında suyu nasıl elektrolize ettiğini test etti. Bu uçuştan ve önümüzdeki testlerden elde edilecek veriler, bir HMD elektrolizör prototipini bilgilendirecek ve gelecekteki uzay görevlerine entegre edilmiş bir sisteme yol açabilir. Romero-Calvo şunları söyledi:
“Uzay uçuşu koşullarında su elektrolizörlerine manyetik alan uyguladığımızda ortaya çıkan temel manyetohidrodinamik akış rejimlerini inceliyorduk,” dedi. “Blue Origin deneyi, Warwick Üniversitesi’nden Profesör Katharina Brinkert’in grubuyla mevcut işbirliğimizle birlikte, mikro yerçekiminde oksijen kabarcıklarının hareketini tahmin etmemize yardımcı olacak ve gelecekte insanlar için nasıl bir su elektrolizörü inşa edebileceğimize dair ipuçları verecek.”
Derleyen: Deniz KAFKAS
Kaynak: Manyetohidrodinamik Tahrik Mars’ta Yakıt İstasyonlarına Yol Açabilir
Varsayımsal Bir Kara Deliğin Gücünden Yararlanmak Çılgın Bir Bomba Yaratabilir
Varsayımsal Bir Kara Deliğin Gücünden Yararlanmak Çılgın Bir Bomba Yaratabilir