Yapay Yer Çekimi Nedir ve Nasıl Çalışır?

Yapay yerçekimine sahip konsept tasarım. (copyright:SPL)

Uzay ve uzay yolculuğuna olan ilgi çekilen filmlerin de etkisiyle artmakta, ve bu durum da bu gibi filmlerde görülen konseptlerin ne kadar uygulanabilir olduğu sorusunun sık sık sorulmasına neden oluyor. Bu yazıda Interstellar filminde de konu edilen yapay yer çekimli uzay araçlarının ne kadar mantıklı olduğuna bir göz atalım. 

Uzay yolculuklarında yer çekimi etkisi olmadığı için bu tür seyahatlere çıkacak olan insanların uzun dönemde kemik erimesi ve kas kütlesi kaybı gibi sorunlarla karşılaşması da kaçınılmaz oluyor. Bu etkilerin giderilmesi ya da en azından azaltılması için uluslar arası uzay istasyonundaki (ISS) mürettebat belli aralıklarla egzersiz yapmaktadır. Ancak bu egzersizler gene de tam olarak bir çare değildir. 

Koşu bandında egzersiz yapan astronot

Eğer uzun süre yer çekimi olmayan bir ortamda yaşamak zorunda kalacaksanız yapay yer çekimi oluşturmanın bir yolunu ararsınız. Pek çok filmde bu durumun çözümü için nasıl çalıştığı belli olmayan yapay yer çekimi cihazları jokeri kullanılır. Gerçekte ise yapay yer çekimi oluşturmak zahmetli bir iştir, ancak gene de birkaç yolu vardır.

Uçuk Fikirler

Bunlardan biri doğrusal ivmelenme ile yapay yer çekimidir. Araç sürekli hız kazanarak içindeki objeler üzerinde gidiş yününün tersine bir güç uygular. Aniden hızlanan bir arabanın içinde hissettiğiniz olaydır. Sadece bu olayın sürekli olduğunu düşünün. Ancak bir aracın hızlanabileceği maksimum bir limit olduğundan ve yörüngesel mekanik gereği böyle bir aracın kullanım alanı uzun yıldızlar arası seyahatin belli aralıkları ile kısıtlanmaktadır.

Bir diğer önerilen yöntem Maddenin diyamanyetik ya da paramanyetik özelliğinden yararlanarak yapay yer çekimi oluşturmaktır. Diyamanyetik maddeler çok güçlü manyetik alanlar tarafından itilir, paramanyetik maddeler ise çekilirler. Normal manyetizma ile farkarı (ferromanyetizma) oluşan kinetik etkinin küçüklüğüdür. Yani bir demir parçası ile mıknatıs arasındaki ilişki yanında yok denecek kadar azdır. Bu sebeple bu şekilde çakışacak bir uzay aracının çok güçlü mıknatıslar bulundurması gerekir.

Pek olası görünmeyen bir diğer yöntem ise kütleçekimsel elektromanyetizma ile işleyen yapay yer çekimidir. Einstein'ın kütleçekim formülleri ile Maxwell'in alan eşitliği formülleri arasındaki benzerliklerden faydalanarak bir kinetik etki yaratma fikrine dayanır. Avrupa Uzay Ajansı'nın (ESA) bu alandaki araştırmaları sürmektedir.

Başka en azından yakın zamanda olası görünmeyen hipotez ise Higgs alanını maniple ederek yapay yer çekimi oluşturmaktır. Ancak bunu gerçekleştirebilmek için daha çok araştırma yapılması gerekmektedir.

Dönen Habitüasyon Modüleri

Bu fikrin şu ana kadar gerçekleşmemiş olmasının en büyük sebebi mali yetersizliklerdir. NASA'nın bu alanda bazı çalışmaları olmuştur, ancak uluslararası uzay istasyonundaki çalışmaların hepsinin sıfır yerçekimi araştırması olması yüzünden hepsi rafa kaldırılmıştır. 

Bu durum gene de bilim kurguda benzer tasarımların kullanılmasına engel olmamıştır. Bunların en güzel örneklerinden biri 2001: A Space Odyssey adlı Hal isimli yapay zekası ile ünlü filmde görülmüştür. 

"2001: A Space Oddessey" adlı filmdeki uzay istasyonu "Space station V" 

Yine yapay yer çekimi ile işleyen bir aracın olduğu diğer bir film ise Interstellar filminde adı geçen Endurance adlı uzay aracıdır. Farkı bir uzy istasyonu olmamasıdır, Satürn'ün yörüngesindeki bir solucan deliğinden geçerek başka bir galaksiye gider.

"Interstellar" filmindeki "Endurance" uzay aracı

Şimdi bu araçların nasıl olup ta çalıştığına bir göz atalım.

Merkezkaç Kuvveti

Bir cismin bir merkez etrafında ona bağlı bir şekilde  dönmesi ile cisim üzerinde oluşan etkiye verilen addır. Cismin eylemsizliğinden dolayı kaynaklanır. Bir cisim üzerindeki merkezkaç kuvveti F_mk=m.V²/r formülü ile hesaplanır. Burada m kütle, V cismin hızı ve r de cisim ile etrafında döndüğü merkez arasındaki uzaklıktır.  Küçükken ipe bağladıktan sonra elinize alıp hızlıca kendi etrafınızda çevirdiğiniz nesnelerde görülen olaydır. Eğlence parklarında gördüğünüz bazı oyuncaklar da aynı prensiple çalışır.

Peki ama nasıl çalışacak?

Uzayda bir cismin kendi etrafında kontrollü bir şekilde dönmesini sağlamak zor olabilir. Eğer ağırlıkta ufak bir dengesizlik bile olsa araç yalpalamaya başlayacaktır. İçine tuğla atılan çamaşır makinesini düşünün. Bu durumu düzeltmek için çok hassas dengeleyici ayarlanabilir ağırlıklar gerekecektir. Bu sağlanmadığı durumda tehlikeli durumlar oluşur. 

Endurance dönüş mekanizması

Kendi etrafında dönüşü nasıl sağladığınız da önemli bir konudur. İlk akla gelen şey bunu küçük iticilere sağlamak olabilir. İlk ateşlemeden sonra dönüş devam eder, ancak aracın bağlı olduğu bir merkezi varsa sürtünmeden dolayı yavaşlama olabilir. Bu da dönüşü sağlamak için daha fazla yakıt gerektirir. Yine dönüşü sağlamak için elektrik motorları da kullanılabilir. Bu durumda ise bağlantı noktalarındaki aşınma yüzünden düzenli bakım gerekecektir.

Bahsedilmesi gereken başka bir durum da içinde yaşayacakların hissedeceği etkilerdir. Dönme etkisinin kişi üzerinde etki yaratmaması için merkezden olan uzaklığın çok fazla olması gerekmektedir. Bu yüzden aracın çapının 60 metreden büyük olması gerekmektedir. Bu durumda bile "Space Station V" gibi dairesel değil de "Endurance" gibi düzgün onikigen bir şekil sorun oluşturabilir. Uzandığınızda merkeze göre başınızın ve ayaklarınızın ayrı etkiye maruz kalması yüzünden ufak bir iki uçtan çekiliyormuşçasına bir etki yaşamak ta mümkündür.

Resme tıklayarak büyütebilirsiniz

Resimde görülen birinci şekilde düz bir platform üzerinde duran bir insan görülmektedir. Platformun ortasında durduğu için herhangi ters kuvvet tarafından eklenmemektedir. 

İkinci figür ise düz bir platform üzerinde merkeze açı yapacak şekilde kenarda durmaktadır. Durduğu noktada yokuş aşağı yürüyormuş gibi bir etki hissedecektir. 

Üç numaralı figürde ise durmakta olduğu zemin oval olduğu için hareket ettiğinde bir gariplik hissetmeyecektir. 

Dört numaralı yatmakta olan figür ise ayakları ve kafasına uygulanan kuvvetlerin açısı sebebi ile aşağıdan ve yukarıdan çekiliyormuş gibi hissedecektir. Aracın dönüş eksenine dik bir şekilde (yanlamasına) yatıldığında etki eden kuvvetler azalacaktır.

Bu dibi etkiler aracın büyüklüğü artıkça azalır, yine aracın büyüklüğü azaldıkça artar. Bu gibi etkilere çok uzun süreler boyunca maruz kalındığında ne gibi yan etkiler görülebileceği bilinmemektedir.

Mars'a ve ötesine er geç gitmesi gereken türümüzün önünde keşfedilmesi gereken daha çok teknoloji bulunmaktadır. Tüm gereken biraz merak ve cesarettir. Yapay yer çekimi teknolojisi de yukarıda bahsedilen yöntemlerden biri olsun olmasın bu yolda gerekli ve önemli bir adımlardan biridir.

C. Caner Telimenli

Kaynakça:

BBC

http://www.bbc.com/future/story/20130121-worth-the-weight 

Intelstellar Wikia

http://interstellarfilm.wikia.com/wiki/Endurance

Wikipedia

http://en.wikipedia.org/wiki/Gravity_Probe_B

http://en.wikipedia.org/wiki/Magnetism

http://en.wikipedia.org/wiki/Artificial_gravity

http://en.wikipedia.org/wiki/Centrifugal_force

SPACE.com

http://www.space.com/19290-private-inflatable-space-station-bigelow.html

Sabun Köpüğü Evreni

Meraklı biri olarak yaşadığımız gerçekliğin ayrıntıları hakkında düşünmeyi her zaman sevmişimdir. Merak edip araştırıp daha fazlasını öğrenmek bir bakıma bana amaç olmuştur. Ancak bir konu üzerine araştırma yapmaya başladığınızda hangi konu olursa olsun bir noktadan sonra daha ileriye gidemezsiniz, çünkü bir müddet sonra o temelleri atanların sizi getirebileceği en uzak mesafeye kadar gelmiş olursunuz. 

Bu merakımı meşgul eden alanlardan birisi de evrenin oluşumudur. Evrenin oluşumu üzerine sahip olduğumuz bilgiler bize evrenin büyük patlama olayı ile oluştuğunu gösteriyor. Biraz ayrıntısına girelim.

Evren nasıl oluştu?

Büyük patlama diye bilim çevreleri tarafından tanımlanan olayı kısaca özetleyecek olursak evrenin yaklaşık 14 milyar yıl önce büyük bir patlama sonucu oluştuğunu ve dağılan enerjiden önce parçacıkların, sonra maddenin ve en son da evrenin oluştuğunu ileri sürer. Bunun kanıtı olarak ta kozmik mikrodalga arkaplan ışıması ve evrenin genişlemesi gösterilir. 

Kozmik mikrodalga arkaplan ışıması evrenin her yanından yayıldığı görülen bir ışıma türüdür. Doppler etkisi sebebi ile uzaktan gelen ışık kırmızıya doğru kayar. İşte bu kırmızıya kayma oranı sebebiyle çok eski - belki evrenin kendisi kadar-  olduğu düşünülür. 

Evrenin genişlemesi olayı ise yine Doopler etkisi sayesinde gözlemlenmiştir. Bize uzak galaksilerin ışığına bakıldığında gene kırmızıya kayma olayı ile karşılaşıldı. Buradan yola çıkarak "Işığın dalga boyu inceldiğine göre galaksiler birbirinden uzaklaşıyor olmalı." sonucuna varıldı. 

Sırdan bir tanım yapmak gerekirse evrenin bir balon misali şiştiği ve galaksilerin bu yüzden birbirinden uzaklaştığı yorumu yapıldı.

Genişleyen evren ve balon betimlemesi

Ancak gene de yapılan tüm gözlemlere rağmen evrenin merkezi, büyük patlamanın olduğu yer gözlemlenemedi. Ayrıca uzay-zaman düzleminin bir balonun yüzeyi gibi eğri olmaması açıklama gerektirmesi sebebiyle birçok tezin ortaya atılmasına sebep oldu. 

Uzay-Zaman düzleminin şekli

Dairesel yörüngede bir uydu

Uzay-Zaman düzleminin eğriliği cisimlerin yörünge enerjileri gibidir. Daire şeklindeki bir yörüngenin negatif net toplam enerjisi vardır. Eğer evren de küresel bir yapıya sahip olsaydı negatif net toplam enerjisi olurdu. Yani uzay-zaman küresel değil.

Eğer evren Hiperbolik yörüngedeki bir cisim gibi olsaydı o zaman da pozitif net toplam enerjisi olması gerekirdi. Ama bu da söz konusu değil.

Hiperbolik rotada bir uydu

Ama eğer bu bir parabolik bir yörünge olsaydı toplam net enerjisi sıfır olurdu, evrenimiz gibi. Bir nesnenin izdüşümünün parabolik olması için ise nesnenin kendisinin düz olması gerekirdi.

Mesele hakkında daha fazla bilgi edinmek isteyenler Neil deGrasse Tyson'ın konu hakkındaki videosunu izleyebilirler.

Peki ama nasıl?

Peki bu durumda evren nasıl işliyor? Buna benim cevabım "sabun köpüğü gibi" olur.

Evrenin olası şekli. Şeklin merkezi
büyük patlamanın merkezidir.

Evrenin merkezini bulamıyor olmamızın sebebi evrenin merkezinin bizimle aynı boyutta olmayışıdır. Büyük patlama olayı bizim evrenimizin dışında gerçekleşmiştir, Bizim evrenimiz bu patlamanın dışarı doğru ittiği bir zarın üzerinde -aynı köpüğe  üflediğinizde oluşan yukarıda kendi içinde kaplı baloncuklar gibi- varlığını sürdürmektedir.

 Bizim evrenimiz dört boyuttan oluşmaktadır. Bunların üçü uzayın elemanı olan en, boy, yükseklik biri ise zamandır. Bize komşu olan evrenler bunları paylaşabileceği gibi paylaşmıyor da olabilirler. Bu durumda yandaki şekildeki gibi geometriler ortaya çıkabilir. Yani misal olarak bizim evrenimiz bu nesne üzerindeki bir kareden ibaret olabilir.

Yer çekimi bizim boyutumuzun temel bir birleşimi olmadığından etkisi azdır. Ayrıca büyük patlama sonrası oluşan tekillik evrenimizi etkileyerek maddelerin ışık hızına ulaşmasını engeller. Bu durum bir kara delik ile ona yaklaşan bir nesnenin durumuna benzerdir.

Bir kara deliğe yaklaştığınızda, dışarıdan bakan bir gözlemci için kara deliğe yaklaşan bir cismin ışığı tekilliğin uzat-zamanda oluşturduğu eğim yüzünden daha uzun aralıklarla gözlemciye ulaşır. Aynı şekilde bir cisim ışık hızına yaklaştığında görelik gelen ışığın daha uzun aralıklara gözlemciye ulaşmasına sebep olur. Işığın bu durumu bizim evrenimizin dışındaki başka bir tekilliğin var olabileceği anlamına gelir. (Bknz: İlgili soru)

Bu durum aynı zamanda karanlık madde ve enerjinin neden bu kadar bulunması zor olduğunu da açıklayabilir. Eğer karanlık enerji evrenin oluşumunun bize o büyük patlamanın oluştuğu ilk boyuttan yansıyan bir yan etkisi ise durum netlik kazanır.


Evrenin oluşumu ve uzay-zaman düzleminin şekli üzerine belirtilenler gerçeklere dayanır. Ancak son başlık altında belirttiklerim evrenin oluşumu hakkındaki kendi tezimdir, şu an için matematiksel hiçbir ispatı yapılmadığı gibi somut kanıtı da yoktur. Bu yüzden değerlendirmelerin bu çerçevede yapılması gerekir.


C. Caner Telimenli




Kaynakça;

 Konu ile ilgili Wikipedia sayfaları, metin içerisinde verilmiştir. 

 Neil deGrasse Tyson'ın online dersleri Youtube'tan alıntıdır.

Kara Delikleri Nasıl bilirsiniz?

(Nasa)

İçinde bulunduğumuz Samanyolu gök adasının merkezi de dahil pek çok yerinde bulunan kara delikler günlük hayatta birçok kez  karşımıza çıkan ancak hakkında pek fazla şey bilinmeyen bir olgudur. Aslında Einstein'ın genel görelik kuramından önce de var oldukları öne sürülmüştü. Ancak varlıkları gözlemlenemediği ve o zamana kadar makul bir açıklaması bulunamadığı için bir fikir olarak pek rağbet görmüyordu. Herkezin bildiği gibi kara delikler ışık ta dahil olmak üzere her şeyi yutarlar. Bunu yapabilmeleri içinse belli başlı fizik yasalarının devreye girmesi gerekir.

Simülasyon olarak karadelik tarafından gerçekleştirilen yerçekimsel bükülmenin arka plandaki galaksiyi eğmesi.

 Bir kütleye sahip her cisim uzay-zaman düzlemi üzerinde bir bükülmeye sebep olur. Cismin kütle çekim alanının büyüklüğü cismin kütlesiyle doğru orantılıdır. Bu sebeple bükülme oranı da ona göre şekillenir. Bu alan içine giren cisimler birbirlerini çeker. Kara deliklerde bunun bir üst noktası olan olay ufku denen ve yukarıdaki resimde tamamen siyah gözüken bölge diye tanımlayabileceğimiz bu olgu kara deliğin her şeyi yuttuğu geri dönüşü olmayan noktadır. Peki uzay-zaman düzlemi nedir? Bir metaforla açıklayabiliriz. Düz ve gergin bir çarşaf hayal edin. Bu çarşafın üzerine bir metal bilye attığınızda çarşafın üstünde ağırlığından dolayı bir çökme olacaktır. Kara deliğin uzay-zamanla olan ilişkisini de bu şekilde açıklayabiliriz. Şimdi bu çarşafın üzerine çok ağır bir cisim bırakalım. Cisim yeterince ağırsa çarşafı delip geçecektir. İşte kara delikte tam olarak bunu yapmaktadır.

 Kara delikler her ne kadar yenilmez görünseler de onların da bir zaafı var. Stephen Hawking tarafından keşfedilen ve Hawking radyasyonu denen bir radyasyon türünün kara delikler tarafından sızdırıldığı söylenmekte. Boyut azaldıkça sızdırmanın boyutu da artıyor ve böylece küçük kara delikler çok daha hızlı bir şekilde yok oluyor. Galaksimizin merkezindeki gibi çok çok büyük kara delikler ise kalıcı oluyor. Yani Cern'deki çalışmalar sırasında bazı çevreler tarafından oluşabileceği düşünülen bir kara deliğin hayatta kalma şansı yok denecek kadar azdır.

 Ayrıca kara delikler yukarıda da bahsettiğimiz uzay-zaman içinde bir delik oluşturması özelliği ile ilgi çekicidir. Bu oluşan deliklerin başka uzay-zaman düzlemleri ile kesişebileceği söylenmektedir. Bu kesişmeler sonucunda bir kurt deliği oluşturulması ihtimalinin doğduğu ve yine bu yolla anlık uzay seyahatinin sağlanabileceği düşünülmektedir.

 Peki ya biz bir kara delik oluşturabilir miyiz? Bir kara deliğin oluşabilmesi için tahmin edebileceğiniz gibi çok büyük miktarda enerji gerekiyor. Astronomik boyutlarda olmasa bile çok küçük kara deliklerden, özellikle de bir yıldızın yok olması ile oluşmayanlarından bahsedebiliriz. Büyük hadron çarpıştırıcısı (LHC) yüksek enerjili çarpışmaların yeni parçacıklar oluşturabileceği görüşünü zayıf nükleer kuvvet, güçlü nükleer kuvvet ve elektromanyetik kuvvet ve -işin içindeki enerji boyutları çok fazla ise- kütle çekimi bazında temel alır. Örnek olarak Higgs bozonu çok hızlı bir şekilde parçalandığı için kolay gözlenemez. Ama bilim insanları çok büyük miktarda enerji ve zayıf kuvvet yardımı ile Higgs bozununun varlığını kanıtlaya bilmiştir. Çok küçük bir kara deliği bir temel parçacık gibi düşünecek olursak oluşturulması için gereken enerji miktarı en az planck sabiti kadar olması gerektiği görülür. Bu miktarda bir enerji en azından şimdilik LHC de üretilemeyecek bir miktardır.

 Kara delikler evrendeki ışığı bile tutabilme özellikleri ile çok gizemli oluşumlardır ve şimdilik onlar hakkındaki elimizdeki her şey teoriden ibarettir. Gerçeklere ulaşabilmemiz için yoğun bir çalışma ve bilim alanında gerçek atılımlara ihtiyacımız olduğu ise değişmez bir gerçektir.

 C. Caner Telimenli