Uzay Araçları için Alternatif Yakıt: Elektrikli İtki
- Berk Alp Kaya
- 7 Eki 2024
- 5 dakikada okunur
İçindekiler:
1. Giriş
2. Kimyasal Tepkimeler
2.1. Kimyasal Tepkimelerin Avantajları
2.2. Kimyasal Tepkimelerin Kısıtlamaları
3. Elektrikli İtki Sistemi
3.1. Elektrikli İtki Sistemlerinin Avantajları
3.2. Elektrikli İtki Sistemlerinin Uygulamaları
3.3. Önemli Görevler
3.4. Gelecek Beklentileri
4. Kaynakça
Giriş
İnsan yaratıcılığının ve teknolojik kapasitesinin sınırlarını zorlayan bir alan olan uzay araştırmaları, 1957'de ilk yapay uydu Sputnik'in fırlatılmasından bu yana sürekli olarak gelişti. Gezegenimizin ötesindeki uçsuz bucaksız alanı keşfetme ve anlama arayışı, dikkate değer başarılara yol açtı. aya inişlerden Mars gezicilerine ve ötesine kadar. Bu görevlerin merkezinde uzay yolculuğunun en önemli ve zorlu yönlerinden birini -itiş gücü- yatıyor. Geleneksel olarak, kimyasal itki uzay araştırmalarının omurgası olmuştur. Sıvı hidrojen ve sıvı oksijen gibi kimyasal yakıtların yakılmasına dayanan bu yapılar, tarihteki en görkemli görevlerden birkaçının temelini oluşturdu. Kimyasal roketlerin tam kontrolü ve sarsılmaz kalitesi, onları Dünya'nın yerçekiminden kurtulmak ve uzay boşluğunda seyahat etmek için başvurulacak seçenek haline getirdi. Öyle olsa bile, kanıtlanmış geçmiş performanslarına rağmen, kimyasal itici güç çerçeveleri, seçmeli güçler ve güdü stratejileri arayışını teşvik eden dikkate değer kısıtlamalara sahiptir. Kimyasal roketler Newton'un üçüncü yasasına gör-her aktivite için bir kırılma ve ters tepki vardır- çalışır. Yakıtı bir yanma odasında yakarak ve sıcak gazları bir nözülden yüksek hızda çıkararak, bu roketi hareket ettirmek için temel itmeyi oluşturur. Bu strateji, yerden havalanmak veya rota düzeltmeleri yapmak için gerekli olan kısa, yüksek enerjili patlamalar için geçerli olsa da, uzun süreli uzay görevleri için doğası gereği verimsizdir. Kimyasal roketlerin itiş verimliliğinin bir ölçüsü olan özgül itki nispeten düşüktür ve yüksek hızlara ulaşmak için büyük miktarda yakıt gerektirir. Bu olumsuzluğun önemi uzay görevleri için büyük zorunluluklar olan genişletilmiş sevkıyat kütlesi ve maliyetleriyle ortaya çıkıyor. Kimyasal itkinin doğaya olan etkisi de başka bir endişe kaynağıdır. Kimyasal yakıtların yanması, çeşitli toksinlerin açığa çıkmasına neden olarak doğal yağ kaybına katkıda bulunur. Ayrıca sızma tehlikesi bulunan kimyasalların bakımı ve uzaklaştırılması, hem personel hem de çevre için güvenlik tehlikesi oluşturur. Karşılaşılan bu zorluklar, analistleri ve mühendisleri daha yetkin, uygun maliyetli ve ekolojik açıdan daha uygun yakıt seçenkleri araştırmaya yöneltmiştir.
2. Kimyasal Tepkimeler
Kimyasal tahrik sistemleri, başlangıcından bu yana uzay araştırmalarının temel taşı olmuştur. Bu sistemler, itme kuvveti oluşturmak için sıvı hidrojen ve sıvı oksijen (LOX) gibi kimyasal itici gazların yanmasına dayanır. Bu yöntem, Apollo'nun aya inişleri ve Uzay Mekiği programı da dahil olmak üzere tarihteki en ikonik uzay görevlerinden bazılarına güç verdi. Kimyasal roketlerin katıksız gücü ve güvenilirliği, onları Dünya'nın yerçekiminden kaçmak ve uzay boşluğunda seyahat etmek için tercih edilen seçenek haline getirdi.
2.1. Kimyasal Tepkimelerin Avantajları
Yüksek İtiş Gücü: Kimyasal roketlerin muazzam bir itme gücü geliştirdiği bilinmektedir; daha doğrusu, yükü Dünya yüzeyinden itmek için gereken türden bir itme gücü.
Kanıtlanmış Teknoloji: Kimyasal tahrik sistemlerinin başlıca faydaları arasında; verimlilik, güvenilirlik ve kullanımlarının yüzyıllardır yaygın olarak belgelenmiş olması yer almaktadır.
Anında Tepki: Bu sistemleri ateşlemek kolaydır ve ayrıca uzay aracının hareketinin gerekli kontrolünü sağlayarak onları kapatır.
2.2. Kimyasal Tepkimelerin Kısıtlamaları
Avantajlarına rağmen, kimyasal tahrik sistemleri uzun süreli uzay görevleri için verimliliklerini ve pratikliklerini etkileyen önemli sınırlamalara sahiptir: Avantajlarına rağmen, kimyasal tahrik sistemleri uzun süreli uzay görevleri için verimliliklerini ve pratikliklerini etkileyen önemli sınırlamalara sahiptir:
Düşük Özgül İtki: Tüm roket sınıflarıyla karşılaştırıldığında, roket tahrikinin verimliliğinin bir göstergesi olan kimyasal roketlerin özgül itkisi gerçekten de düşüktür. Sonuç olarak, yakıtın çoğu yüksek hızlara ulaşmak için kullanılır ve bu da fırlatma kütlesini ve dolayısıyla maliyeti artırır.
Kısa Yanma Süresi: Kimyasal roketler en çok nispeten kısa, yüksek itişli görevler için uygundur ve bu nedenle sürekli güç gerektiren görevler için uygun değildir.
Çevresel Etki: Kimyasal itici gazlar, kullanımlarının çevreye zararlı olduğunu gösteren sera gazları içeren atıklar yayar. Ayrıca, bu yüksek reaktif kimyasalların yönetimi ve depolanması, özellikle insanlar ve diğer fiziksel ortamlar tarafından kullanımında güvenlik sorunları yaratmaktadır.
3. Elektrikli İtki Sistemi
Elektrikli tahrik sistemleri, uzay aracı tahrik sistemlerinde kimyasal roketlerden daha verimli olan önemli gelişmelerdir. Bunlar, elektriğin normalde Xenon gibi inert bir gaz olan bir itici gazı iyonize etmek için kullanıldığı İyon iticiler veya Hall etkili iticilerdir. İyonize parçacıklar elektrik alanları aracılığıyla hızlandırıldıklarında itme kuvveti üretirler. Çıkış kuvveti oldukça düşüktür, ancak elektrikli iticilerin özgül itkisi çok yüksektir ve bu tür yakıt ekonomisinin son derece önemli olduğu uzun vadeli görevler için çok etkilidir. Elektrikle çalışan sistemler ise iyonize edilmiş bir itici gaz kullanmakta ve daha sonra iyonları yüksek hıza itmek için elektrik alanı kullanmaktadır. İyon iticileri ve Hall etkisi iticileri bu itki sisteminin en yaygın olanlarından ikisidir:
İyon İticiler: İyon iticileri oluşturmak için ksenon gibi bir itici maddenin elektronlar kullanılarak iyonize edilmesi gerekir. Bu pozitif iyonlar daha sonra bir ızgara aracılığıyla elektrik alanları tarafından iyonize edilir ve böylece bir uzay aracından dışarı atıldığında oldukça itme gücü yaratır.
Hall Etkisi İticiler: Hall etkili iticiler de bir itici gazı iyonize eder, ancak elektronları hapseden bir elektromıknatıs kullanarak, daha sonra iyonları hızlandıran bir elektrik alanı oluşturur. Bu sistemler, sergiledikleri geniş işlevsellik ve güvenilirlik nedeniyle oldukça popülerdir.
3.1. Elektrikli İtki Sistemlerinin Avantajları
Yüksek Özgül İtki: Elektrikli tahrikler, geleneksel roketlerde bulunan kimyasal roketlere kıyasla çok daha yüksek özgül itki oranlarına sahiptir. Bu, uzay aracının marjinal olarak daha iyi yakıt verimliliği ile uzun süreler boyunca daha yüksek hızlara ulaşabileceği anlamına gelir.
Azaltılmış Yakıt Kütlesi: İtmek için elektrik gücü kullanan uzay araçları, kimyasal bazlı itme sistemlerinden yaklaşık on kat daha verimlidir; bu nedenleihmal edilebilir miktarda itici yakıt gerektirir. Bu da yakıt kullanımının büyük ölçüde azalması, dolayısıyla fırlatma maliyetinin düşmesi ve faydalı yüklerin artması ile mümkün olmaktadır.
Sürdürülebilirlik: Elektrikli motorların kullanımı, emisyonların kimyasal motorlara göre mümkün olan en kısa seviyede tutulmasını ve dolayısıyla Uzay ortamının korunmasını sağlar.
3.2. Elektrikli İtki Sistemlerinin Uygulamaları
Elektrikli itki, özellikle uzun süreler boyunca sürekli itiş gücü gerektiren görevler için çok uygundur, örneğin: Elektrikli tahrik, uzun süreler boyunca sabit itiş gücüne ihtiyaç duyulduğunda en faydalıdır Bazı örnekler şunlardır:
Uydu İstasyonu Tutma: Uzaydaki uyduların performansında herhangi bir ihlal olmadığından emin olmak için uyduların sabit yörüngede sabit pozisyonlarda tutulması.
Derin Uzay Keşfi: Uzun süreli, düşük itiş gücüne sahip itici güçlerin faydalı olduğu veya onlarca yıl olmasa da birkaç yıl süreceği düşünülen uzay alanlarına ilişkin durumlar.
Gezegenlerarası Seyahat: Güneş sistemi içindeki gezegenler arasında verimli aktarıma da katkıda bulunmuştur.
3.3. Önemli Görevler
Elektrikli tahrik aslında daha önce bazı uzay görevlerinde başarıyla uygulanmıştır. İyon tahrik teknolojisine bir örnek olarak NASA'nın Dawn uzay sondası verilebilir: sonda, Vesta ve Ceres asteroitlerinin bulunduğu bölgeye ve yörüngelerine bir uzay sondası göndermenin bir yolu olarak iyon motorları içermektedir. Elektrikli itiş gücü, çok işlevli rolleri ve uzun süreli itiş gücü ile Derin Uzay görevlerinin gelecekteki potansiyelini ortaya koymuştur.
3.4. Gelecek Beklentileri
Neyse ki, daha iyi verimlilik ve işlevselliğe katkıda bulunan elektrikli tahrik sistemlerinin sürekli olarak geliştiğini görüyoruz. Güç-itki oranlarını arttırmaya, iyonizasyon ızgaralarındaki yeniliklere ve hatta tohumun verimliliğine katkıda bulunabilecek farklı itici gazlara adanmış pek çok araştırma var. Elektrikli tahrik sistemleri uzun yıllardır mevcuttur ve uzay araştırmalarının geleceğinde önemli bir yer tutacaktır. Bu sebepten ötürü bir teknoloji olarak elektrikli tahrik daha düşük yakıt kütlesi ve sürdürülebilirlik ile karakterize edilen uzay aracı tahrikinde olağanüstü bir değişikliktir. Bu sistemler, yörüngedeki 'filoların' yenilenmesi ve derin uzay araştırmaları gibi yakın ve uzak geleceğin zorlu görevleri için umut vaat etmeye hazırdır. Teknolojideki ilerlemeden bu yana, elektrikli tahrik her zaman uzay yolculuğunu daha verimli ve hatta mümkün kılacaktır.
4. Kaynakça
The Propulsion We’re Supplying, It’s Electrifying—NASA. (2020, Ekim 22). https://www.nasa.gov/humans-in-space/the-propulsion-were-supplying-its-electrifying/
What is Electric propulsion? (t.y.).
ESA Science & Technology—Electric Spacecraft Propulsion. (t.y.). https://sci.esa.int/web/smart-1/-/34201-electric-spacecraft-propulsion
Levchenko, I., Xu, S., Teel, G., Mariotti, D., Walker, M. L. R., & Keidar, M. (2018). Recent progress and perspectives of space electric propulsion systems based on smart nanomaterials. Nature Communications, 9(1), 879. https://doi.org/10.1038/s41467-017-02269-7
Electric Propulsion Technologies—NASA. (2021, Aralık 7). https://www.nasa.gov/centers-and-facilities/armstrong/electric-propulsion-technologies/
Ion Propulsion—NASA Science. (t.y.). https://science.nasa.gov/mission/dawn/technology/ion-propulsion/
Deep Space 1: Advanced Technologies: Solar Electric Propulsion FAQ. (t.y.). https://www.jpl.nasa.gov/nmp/ds1/tech/ionpropfaq.html
Chemical Propulsion Systems. (t.y.). Glenn Research Center | NASA. https://www1.grc.nasa.gov/research-and-engineering/chemical-propulsion-systems/
Chemical Propulsion—An overview | ScienceDirect Topics. (t.y.). https://www.sciencedirect.com/topics/earth-and-planetary-sciences/chemical-propulsion
