NASA’nın finanse ettiği yeni füzyon roketi, astronotların Mars’a 30 günde gitmesini sağlayacak. Dünya’ya 80 milyon km mesafedeki Mars’a sadece 1 ayda ulaşan füzyon roketleri, asteroit madenciliği açısından büyük önem taşıyor.
AKILLI TELEFONLAR gibi ileri teknoloji ürünlerinde kullanılan nadir elementler ile değerli metallerin 40 yıl içinde tükeneceğini hesaba kattığımızda; Mars’ın ötesindeki asteroitleri Dünya’ya taşımak, James Cameron ve Google başta olmak üzere bütün fütüristlerin rüyalarını süslüyor.
Amerikalı astronotların 1969’da Ay’a gitmesi üç günden uzun sürdü ama Dünya yörüngesinin tersine, uzayın derinliklerinde çok büyük mesafeler söz konusu. Dünya’ya ortalama 400 bin km uzaktaki uydumuzla karşılaştırıldığında, Mars ile aramızda yaklaşık 80 milyon km bulunuyor. Gezegenimizin Güneş’e 150 milyon km uzakta olduğunu düşünürsek, Mars’a insanlı uçuşların uzun ve zor bir süreç olduğu anlaşılıyor.
Washington Üniversitesi araştırmacıları, astronotların yerçekimsiz ortamda mümkün olduğunca az süre geçirerek kozmik radyasyondan korunması ve 6 ay boyunca küçük bir uzay kapsülünde hapis kalmaması için hızlı füzyon roketleri geliştiriyorlar.
Redmond Plazma Dinamiği Laboratuvarı’nda araştırmalarını sürdüren Doç. Dr. John Slough; atomları çekirdek füzyonuyla birleştirerek muazzam bir enerji üreten füzyon roketlerini 2020’ye kadar NASA’nın hizmetine sunmak istiyor: Slough, “Birkaç yüz bin dolar maliyetle füzyon sisteminin çalıştığını önümüzdeki yıla dek gösterebilirsek; füzyon enerjisini diğer uygulamalarda kullanmak için daha iyi, ucuz ve hızlı bir yol geliştirebiliriz” diyor.
Füzyon motoru kullanmak aslında uzay gemisinin içinde bir güneş yakmak anlamına geliyor! Geminin yüksek ısıdan zarar görmemesi için mühendisler, bu enerjiyi güç alanlarının içine hapsetmek ve güvenli bir şekilde motorlara yönlendirmek zorundalar.
Aslında uzayda veya dünyada Güneş yakmak sorun değil. Dünyamıza ısı ve ışık sağlayan Güneş, bunu her gün yapıyor. Yeryüzünde güneş yakmaya gelince; ABD ile Rusya’nın elindeki termonükleer başlıklar, füzyon enerjisi açığa çıkarıyor ve 1952’den 1998’e kadar geçen sürede her iki ülke de birçok termonükleer deneme gerçekleştirmiş bulunuyor. Buradaki sorun füzyonu başlatmak değil, füzyonu kontrol etmek.
Kontrolsüz güç, güç değildir
Gelişmiş ülkeler son elli yılda füzyon araştırmalarına milyarlarca dolar harcadı. Oxfordshire İngiltere’deki JET reaktörü, California Ulusal Ateşleme Tesisi, New Mexico Sandia Ulusal Laboratuvarları ve Fransa’daki ITER merkezi, yeryüzünde sayısız nükleer ateş yaktı. Ancak bu tesislerin tek yapabildiği, sadece 1 saniye çalışmak ve bu sırada Londra’nın bir yıllık elektriğini tüketmekti. Bugüne kadar hiçbir füzyon reaktörü, ilk tepkime için kullandığı elektrikten daha fazlasını istikrarlı bir şekilde üretemedi.
Füzyon için gereken hidrojen izotoplarını, yani mikro döteryum-trityum paletlerini lazer ışınları ile ısıtmak ve yüksek basınç ortamında füzyon tepkimesini başlatmak kolaydı. Ancak bu reaksiyonları hidroelektrik santrallerinde olduğu gibi 7/24 sürdürmek imkansız gibi bir şey. Anlık tepkimeler ise dünyanın enerji ihtiyacını karşılamakta yetersiz kalıyordu.
Bu süreçte oluşan milyonlarca derece sıcaklıktaki plazmayı (maddenin iyonize gaz hali) Flash Gordon bilimkurgu çizgi romanlarında kullanılan güç alanlarını çağrıştıran manyetik alanlarla kontrol etmek ise çok daha zordu. Plazmanın serbest kalması, füzyon reaktörünün termonükleer patlamaya yol açması ya da en azından yeni bir Çernobil felaketi yaşanması anlamına geleceğinden; manyetik alanın şiddetinde en ufak bir azalma söz konusu olamaz. Bu da füzyon reaktörlerinin güvenli bir şekilde enerji üretmesini engelliyordu.
Güneş topla benim için
Bilim adamlarının, füzyonla yapmak istedikleri şeyi Güneş’i evcilleştirmek olarak da tanımlayabiliriz. Füzyon, Güneş’in muazzam bir basınç altında (yani üst katmanlardaki gazın ağırlıyla) ezilen çekirdeğinde 15 milyon derecede gerçekleşen bir nükleer tepkime. Yeryüzünde bu kadar yüksek bir basınç elde etmek imkansız olduğu için, bizim en az 150 milyon derece sıcaklığa erişmemiz gerekiyor. Füzyon reaktörleri işte bu yüzden 1 saniyede Londra’nın yıllık ihtiyacı kadar elektrik tüketiyor.
Şimdilik en pratik yöntem, füzyon yakıtını küçük bir palete koymak ve bu palete güçlü lazer ışınları tutmak gibi görünüyor. Lazer ışınları yakıtın kritik bir değerin üstünde ısınmasını ve yüksek basınca maruz kalmasını sağlayarak füzyonu başlatıyor.
Küçük bir antiasit çiğneme tabletine benzeyen yakıt paletlerini ateşlemek için, prensipte Yıldız Savaşları’ndaki Ölüm Yıldızı’nı hatırlatan süper lazerler kullanmamız gerekiyor. Elimizdeki en güçlü lazerler morötesi lazerlerdir. Ancak, enerji ekonomisi açısından baktığımızda morötesi lazerlerin fazlasıyla elektrik tükettiğini görüyoruz. Bilim insanları 20 yıldır bu kısırdöngüyü aşmaya çalışıyor.
Özel sektör tarafından finanse edilen MSNW reaktörünü kullanan ve NASA’nın Gelişmiş İnovasyon Konseptleri Programı kapsamında 600 bin dolarlık teşvikten yararlanan Dr. Slough, bu kısırdöngüyü kırmaya kararlı. Slough ve çalışma arkadaşları, “Füzyon reaktörü üretmek 30 yılı bulur” argümanına karşı, bunu şimdiden başarabileceğimizi göstermek istiyor. Yine de tasarladıkları sistem nükleer radyasyona yol açan tehlikeli bir çözüm olarak çevrecilerin tepkisini çekiyor.
Radyasyon yaymayan nükleer enerji İki Helyum-3 atom çekirdeğini birleştirip normal Helyum üretirseniz, zararlı radyasyona yol açmayan bir reaktör geliştirmiş olursunuz. Çünkü bu tepkimede radyasyona yol açan hızlı nötronlar açığa çıkmayacaktır. Ancak, Helyum gazının bir izotopu olan Helyum-3 Dünya’da çok az bulunuyor. Üstelik Helyum 3’ü diğer atomlardan füzyon yoluyla üretmek için radyoaktif atıklara yol açan özel reaktörler kurmak gerekiyor. Maliyet ve çevre kirliliği açısından şimdilik bu pek mümkün görünmüyor. Helyum-3, Jüpiter’de var ama Jüpiter’e gitmek mevcut roket teknolojisiyle yıllar alacak ve Jüpiter’in güçlü kütleçekimi ile şiddetli radyasyon alanı kırmızı lekeli gezegenden Helyum-3 çıkarmayı zorlaştıracaktır.
Helyum-3 zor bulunan bir yakıt
Öte yandan Helyum-3 açısından zengin gezegenlerden biri de gaz devi Uranüs’tür ve Uranüs’te radyasyon tehlikesi yoktur. Bu yüzden bilim adamları, Uranüs atmosferinden yüksek irtifa balonlarıyla Helyum-3 çekmeyi ve Helyum 3’ü Dünya’ya robot gemilerle taşımayı planlıyor. Oysa Jüpiter’den çok daha uzak olan Uranüs’e gidiş– dönüş yapılacak bir yolculuğun uzun yıllar alması bekleniyor. Bu sorunu nasıl çözebiliriz?
Her iki gezegene uçuş süresini kısaltmak için, kimyasal roketler yerine “radyoaktif füzyon motorlarıyla” çalışan ve bu sebeple de kendi yakıtının ağırlığını taşımak zorunda kalmayan uzay gemileri inşa edebiliriz. Ancak, Dünya yakınında radyasyon tehlikesini önlemek için ilk gemileri Helyum-3 yakan temiz füzyon motorlarıyla tasarlamayı tercih edebiliriz. Bu durumda, Ay’dan çıkaracağımız az miktarda Helyum-3’ü kullanmamız gerekiyor.
Ay’dan Helyum-3 çıkarmak mümkün olabilir. Sonuçta Güneş rüzgarının sağladığı Helyum-3’ün az miktarda da olsa Ay yüzeyinde depolandığını biliyoruz. Ancak 1 ton Helyum-3 için 150 milyon ton Ay toprağı (regolit) kazmak zorunda kalacağız ve 1 ton Helyum-3 çıkarmanın maliyeti 3 milyar dolara ulaşacak.
Buna rağmen ABD, Rusya, Çin, Hindistan ve Japonya, Ay’a yeni sondalar göndererek uydumuzun Helyum-3 haritasını çıkarmayı planlıyorlar. Helyum-3 şimdilik teorik bir yakıt kaynağı olsa da gelecekte kritik değer taşıyabilir. Sonuçta bütün bunlar için gelişmiş bir uzay ekonomisi kurmamız gerekiyor. Şansımıza NASA, asteroitlerden maden çıkarmak için ABD senatosundan bütçe isteyeceğini duyurdu ve füzyon roketleri için gereken teşviki sağladı.
Bir füzyon motorunun anatomisi
Dr. Slough ve meslektaşları, özel tasarlanmış bir manyetik alanın içine küçük metal halkalar fırlatan bir sistem üzerinde çalışıyorlar. Bu halkalar, minik bir döteryum damlasını muazzam bir basınç altında bırakarak nükleer füzyonu başlatıyor. Saniyenin milyonda birinde arka arkaya gerçekleşen nispeten düşük enerjili patlamalar, Mars’a gidecek uzay gemisine güvenli ve yeterli bir itiş gücü sağlayacaktır.
Mars roketindeki manyetik roket sistemi işte burada devreye giriyor: Slough’un sisteminde füzyonu sıkıştıran metal halkaları aşırı elektrik tüketen lazer ışınlarıyla eritmiyoruz. Bunun yerine, çok daha az enerji gerektiren “şiddetli manyetik alanlarla” elimizdeki metal halkaları deforme ediyoruz. Bu şekilde ezilen halkalar da içindeki yakıt damlalarını sıkıştırarak füzyonu başlatıyor.
Manyetik alan sistemi, motorda oluşan sıcak ve radyoaktif plazmayı saniyede 30 km hızla roketten dışarı püskürtüyor. Füzyon motoru bu tempoda sadece bir dakika çalışsa bile, Mars roketi 1 ayda hedefine varacak hıza ulaşacaktır. Mars’ta eski hayat izleri bulan “meraklı kedi” Curiosity’nin yolculuğunu tam 8 ayda tamamladığını düşünürsek bu büyük bir avantaj.
Mars roketiyle ilgili konsept deneyleri yaz sonunda, Washington Üniversitesi bünyesindeki Redmond Plazma Dinamiği Laboratuvarı’nda başlayacak. Füzyon enerjisini kontrollü ve güvenli bir aralıkta tutmak isteyen bilim adamları, zamanla test reaktörlerinin ölçeğini büyüterek daha yüksek enerjilerle çalışacak. Yeni sistemlerde füzyonun verimliliğini artırmak için alüminyum halkalar yerine lityum halkalar kullanılacak.
Uzun ve zorlu bir yolculuk
Dr. Slough ve ekibi başarılı olsa bile, bu teknolojinin kullanışlı bir roket motoruna dönüşmesinin ne kadar süreceğini bilemiyoruz. Değişken Özgül İtkili Manyetik Plazma Roketi (VASIMR) gibi alternatif plazma motorları, füzyon teknolojisini açık farkla geride bırakmış durumda. Mars Derneği Başkanı ve ünlü Mars Davası kitabının yazarı Robert Zubrin ise plazma itiş sistemlerini şarlatanlık olarak nitelendiriyor.
Bununla birlikte önümüzdeki 30 yıl içinde ilk füzyon roketlerinin Güneş sistemindeki gezegenlere insanlı veya insansız uçuş gerçekleştirmesi mümkün görünüyor. Bunun en büyük nedeni, füzyon motorlarının, kullanılan enerji ve özgül itiş gücü açısından en verimli sistemlerden biri olması (Özellikle de Helyum-3 füzyonunun hem Dünya’da hem uzayda radyasyona yol açmayan temiz nükleer enerji sağlayacağını düşünürsek).
NASA, geçen haftalarda Asteroit Kuşağına gidecek bir uzay sondası inşa etmek istediklerini açıkladı. ABD Kongre’si NASA’nın seferi için bütçe sağlarsa, Asteroit Kuşağından Dünya yörüngesine getirilecek bir asteroit, astronotlar tarafından incelenecek. Buna asteroitlerden maden çıkarmak için yapılan bir fizibilite çalışması gözüyle de bakabiliriz. Google’ın ve James Cameron’ın rüyalarını süsleyen asteroit madenciliği yaygınlaştığında, füzyon motorları büyük asteroitleri taşımak için pratik bir seçenek olacak.
