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

Mars Zıpzıp Konsepti "Mantıklı"

 Şu an için Mars görevlerinde aracın yüzeyde hareket edebilmesi için tekerlekler kullanılmaktadır. Ancak aracın hareketleri kum tuzakları , kayalar ve uçurumlar yüzünden engellenebilmektedir. Hopper denen ve "Zıpzıp" diye çevirebileceğimiz teknoloji ile  araçlar bir sonraki uygun araziye geçiş yapabilir.

 Araştırmayı yapan takım Leicester Üniversitesi ve Astrium Space şirketi tarafından destekleniyor. Karbondioksit'in Mars yüzeyinden emilip sıkıştırılması ve sıvılaştırılması ile çalışacak radyoizotop termal roket motoru kullanılmasını öneriyorlar. Sıvılaştırılan karbondioksit radyoaktif kaynak tarafından alındığı bölme içerisinde ısıtılarak hızlı bir şekilde gaz haline dönüşerek aracın egzozundan çıkar ve oluşan tazyik hareket oluşturur. Hesaplamalara göre oluşan itiş gücü sayesinde bir tonluk bir araç bir seferde 900 metrelik bir sıçrayış gerçekleştirebilir.
Leicester Üniversitesi Uzay araştırma merkezinden Hugo Williams'ın dediğine göre "Bu yaklaşımın avantajı daha agresif yer şekillerini daha kolay geçebilmeniz ve size verdiği ekstra mobilitedir, bu yöntemle en başarılı Mars araçlarının katettiği mesafeden daha uzun mesafeler katedilebilir."

 Takım bu öneriyi ilk kez 3 yıl önce dile getirmişti, o günden beri takım fikirlerini geliştirmek için üzerinde çalışmaktalar. Özellikle aracın bacakları ve gaz sıkıştırma sisteminin detayları üzerinde çalışıyorlar. Çalışmanın kötü tarafı ise uzay araçlarının bacaklarında kullanılan iniş sırasındaki çarpışma şiddetini azaltmaya yarayan bal peteği tasarımın parçalanmaya müsait olması. Eğer bir kez inecekseniz mükemmel bir tasarım, ancak araç o bacakları sıçramalarda tekrar kullanacaksa sorun çıkaracak bir durum olduğu açık. Takım hareketli parçaları olan ama dünyada kullandığımız araçlarda olduğu gibi hidrolik sıvılar kullanmayan tasarımlar arıyor.

 Astrium'da görev sistemleri mühendisi olan Mike Williams "İnsanların okuldaki bilim derslerinden hatırlayabileceği manyetik bir sistem kullanıyoruz." diye açıklıyor. "Bakır bir tüpten bir mıknatıs bıraktığınızda aşağı düşmesini beklersiniz, ama mıknatısın oluşturduğu girdaplı akımlar karşı manyetik alan oluşturur ve mıknatıs bu sayede yavaşlar." dedi ve ekledi, "Hiçbir şey sıkıştırılmadığı ve hidrolik sıvı olmadığı için sıcaklık ve ortamın etkileri sistemi kötü etkileyemez."

 Araştırmanın son aşaması Avrupa uzay ajansı  (ESA) tarafından desteklendi. 1000 kg'lik bacak uzunluğu 4 metre ve gövde genişliği 2,5 metre olan tasarım sayesinde 20 kg kadar bilimsel cihaz taşınabileceği öngörülüyor. Çalışma ayrıca geliştirilmesi gereken dalları da ortaya çıkardı. Örnek olarak kullanılan sıkıştırma sistemi hareket etmek için gerekli olan yeterli yakıt miktarına ulaşabilmek için birkaç haftaya ihtiyacı var. Pratik olabilmesi için bu surenin iyiden iyiye düşürülmesi gerekiyor.

 Mike Williams "Bazı teknolojilerin limitlerine rağmen sanıyorum ki bu görevin gerçekleştirilebileceğini kanıtladık." diye konuştu. "Erken dönemindeki konsept tasarımların çok hızlı bir şekilde yanlış olduğu ortaya konabiliyor. Buradaki durum kesinlikle bu değil." diye de ekledi.

Curiosity aracı hedefi olan dağa ulaşabilmek için tehlikeli bir kum tuzağından geçmek zorunda

 Marsta bir zıpzıp görüp göremeyeceğimiz ise ayrı bir konu. Şu an tekerlekli araçlar çok iyi bir iş çıkartıyor ve eğer farklı bir tür yöntemle ilerleyecek bir araç göndermeyi seçersek alternatifler çok fazla. Bunların arasında uçaklar, balonlar ve rüzgarda ilerleyen yabani kadife çiçeği tarzı araçlar da var.

"Zıpzıp konsepti buradan nereye gider bilmiyorum" diyor Hugo Williams."Ancak bu türden araştırmaları yapmamızın sebebinin sırf bir görevle alakalı değil daha sonrasında gelecek olan görevleri ya da dünyada geliştirilecek olan teknolojilere ön ayak olmak." diye de ekliyor.

Çeviri: C.Caner Telimenli

(BBC)

Arktik’te erime rekor seviyede

İskoçya’nın başkenti Edinburgh’da düzenlenen sempozyumda Cryosat görevindeki yeni verileri sunan bilim insanları, Arktik’teki buzul seviyesinin hem kalınlık, hem de kapladığı alan bakımından önemli ölçüde azaldığını belirtti. İlk verileri 2010-2011 arasında elde edilen çalışma henüz çok yeni olsa da, veriler geçtiğimiz yıl Amerikan Meteorolojik Topluluğu tarafından sunulan raporla aynı sonuçları verdi.

Bilim insanlarına azalan buz yoğunluğu hakkında daha kesin bilgiler sunan Cryosat, uydu görüntüleri aracılığıyla yaşanan olumsuz değişimin boyutlarını gözler önüne serdi. Sempozyumda söz alan İngiltere’nin Leeds Üniversitesi’nden Andrew Shepherd, “Uydular tarafından yapılan ölçümler aracılığıyla, bazı bölgelerde buz kalınlığının diğer bölgelere oranla daha fazla inceldiğini ve son üç yıl içinde hem kış hem de yaz dönemlerindeki buz yoğunluğunun azaldığını tespit ettik” dedi.

Shephard, “2012 kışı sonunda mevcut olan Arktik buzulu 15 bin kübik kilometreden daha azdı. Bu miktar, geçmiş yıllara kıyasla en az buz yoğunluğuna işaret ettiği gibi, kışın buz örtüsünde görülen artışın azaldığını ortaya koydu” ifadesini kullandı.

Digitaljournal sitesinin haberine göre, Cryosat, Arktik buzulları üzerinde Ekim 2010-Nisan 2013 arasında art arda üç ölçüm yaptı. 2013 yazında buzul miktarının rekor oranda azaldığını gösteren en son ölçüm, Kuzey Kutbu’nun hızla eridiğini ortaya koydu.

ERİME HIZI ÜÇ KATINA ÇIKTI

Profesör Shepherd ve NASA’nın Jet İtiş Gücü Laboratuvarı’ndan Dr. Erik Ivins’in başını çektiği araştırma ekibi, 2012 sonunda Science dergisinde yayımlanan araştırmalarında, Antarktika ve Arktik'teki erimenin boyutu hakkındaki belirsizliği sona erdirmişti.

Uydulardan elde edilen bilgiler her iki bölgede de erime hızının düzenli olarak arttığını, 1990’lara oranla buzul erimesinin üç katına çıktığını gösterdi.

Erimelerin 1990’lı yıllarda neden olduğu deniz seviyesi artışı her yıl 0.27 mm olurken, son yıllarda bu sayı 0.95 mm’ye çıktı.

Bilim insanları, Cryosat projesi kapsamında elde edilen verileri 2012-2013’te elde edilen verilerle karşılaştırmaya hazırlanıyor.

(ntvmsnbc)