Elektrikli İtki Motorları: Bilim Kurgu Filmleri Gerçeğe Dönüşebilir mi?

İnsanların en büyük hayallerinden biri belki de başka gezegenleri ve yıldız sistemlerini ziyaret etmek. Böylesi uzun bir yolculuk için çok hızlı hareket edebilen uzay araçlarına ihtiyacımız var. Ayrıca az miktarda yakıt ile uzun mesafeler katedilmesini sağlayacak itki motorlarının geliştirilmesi özellikle derin uzay görevleri için hayli önemli. Ancak geleneksel roket motorları ile bu gereksinimleri karşılamak mümkün değil. Peki, elektrikli itki motorları bu sorunun çözümü olabilir mi?

Bir uzay aracı uzaya gönderilirken Dünya’nın kütleçekimini yenebilmesi için çok güçlü motorlara ihtiyaç duyulur. Bu amaçla kimyasal roketler kullanılır. Kimyasal roketlerde yeterli itkinin oluşturulabilmesi için ihtiyaç duyulan yakıtın kütlesi çok yüksektir. Ancak bir uzay aracının kütlesi arttıkça Dünya’nın kütleçekimini yenebilmesi için sahip olması gereken hız da artar. Bu nedenle yakıtı verimli kullanan yani belli bir miktardaki yakıtla daha fazla itki oluşturan (bu kavram özgül itki olarak isimlendirilir) elektrikli itki motorları uzun süreli uzay görevleri için gereklidir.

Kimyasal roket motorlarında kimyasal tepkime sonucu roketten dışarı atılan maddeler roketi kendi hareket yönlerinin tersi yönde iterek roketin uzayda yol almasını sağlar. Elektrikli itki motorlarında ise motordan dışarı atılan maddeler elektrik enerjisi kullanılarak hızlandırılır. İhtiyaç duyulan elektrik enerjisi güneş panellerinden karşılanabilir.

Elektrikli itki motorları kimyasal roket motorlarına kıyasla çok daha az yakıt kullanarak aynı miktarda itki oluşturabilir. Örneğin asteroit görevi için tasarlanmış 500 kg yük taşıyan bir uzay aracının özgül itki değeri ~300 ve roketten dışarı atılan maddelerin hızı ~3 km/sa olan kimyasal roketle görevi tamamlayabilmesi için yaklaşık 2000 kg yakıta ihtiyaç duyulurken, özgül itki değeri ~3000 ve itki motorundan dışarı atılan maddelerin hızı ~30 km/sa olan elektrikli itki motoru ile aynı görev yaklaşık 90 kg yakıt ile gerçekleştirilebilir.

Elektrikli itki motorları yakıtı çok verimli kullanan sistemler olsa da çok kısa sürede çok fazla miktarda itki oluşturulması gereken durumlarda örneğin fırlatma sırasında kullanılamazlar.

Ancak uzay araçlarının uzun sürede yavaş yavaş hızlanarak çok yüksek hızlara ulaşmalarını sağlayabilirler.

En yaygın kullanılan elektrikli itki motorları iyon itki motorları ve Hall etkili itki motorlarıdır.

 

İyon İtki Motorları

NASA - Dawn uzay aracında iyon itki motoru kullanılıyor.

İyon itki motorlarında yakıt ilk olarak iyonlaştırılır (iyonlaşma bir atomun ya da molekülün elektron alarak ya da vererek elektriksel olarak yüklenmesi şeklinde tanımlanabilir). Bu amaçla çoğunlukla elektron bombardımanı yöntemi kullanılır. Yüksek enerjili elektronların yakıt atomlarına çarparak iyonlaşmalarına neden olduğu bu yöntemde yüksek enerjili elektronlar katottan yayılır. Yakıtın iyonlaştırılmasında radyo dalgaları ve mikrodalga ışınlar da kullanılabilir.

Katotun ısıtılması ile açığa çıkan yüksek enerjili elektronlar iyonlaşma odasına püskürtülen yakıt atomlarıyla çarpışır. Sonuçta elektriksel olarak yüklü olmayan yakıt atomlarından bir elektron kopar ve artı yüklü bir iyon açığa çıkar. Böylece artı yüklü iyonlardan ve elektronlardan meydana gelen bir plazma oluşur.

Daha sonra oluşan iyonlar itki motorunun arka tarafında bulunan ızgara biçimindeki elektrotlara doğru hareket eder. İç kısımdaki artı yüklü elektrot iyonların plazmadan ayrılmasını sağlar. Plazmadan ayrılan iyonlar elektrotlar arasındaki elektrik potansiyeli farkı nedeniyle hızlandırılır. Hızlandırılan iyonlar itki motorundan dışarı atılırken, kendi hareket doğrultularının tersi yönde itki oluştururlar.

Artı yüklü iyonlar itki motorundan atıldığında uzay aracında eksi yük fazlalığı oluşur. Bu durumda itki motorundan ayrılan artı yüklü iyonları tekrar uzay aracına doğru çekilebilir ve sonuçta motorun oluşturduğu itki azalır. Bu durumu engellemek için itki motorunun dışına ikinci bir katot yerleştirilir. Katottan yayılan elektronlar itki motorunun elektriksel olarak yüksüz kalmasını sağlar.

İnfografiği büyütmek için üzerine tıklayın.

Elektrikli itki motorlarında, motordan dışarı atılan maddelerin hızlandırılmasında farklı yöntemler kullanılabilir. Motordan dışarı atılan maddelerin elektrik yükleri arasındaki etkileşimden yararlanılarak hızlandırıldığı elektrostatik yöntem bunlardan biridir. İyon itki motorlarında iyonlar elektrostatik yöntemle hızlandırılır.

İyon itki motorlarında iyonların hızlandırılma sürecini birçoğumuzun okulda ve evde yaptığı basit bir deney üzerinden açıklayabiliriz. Plastik bir çubuğu yünlü bir malzemeye, örneğin yünlü bir kumaşa sürttüğümüzde elektriksel olarak yüklendiğini ve küçük kâğıt parçalarına yaklaştırdığımızda kâğıt parçalarını çektiğini gözlemlemişsinizdir. Şimdi küçük kâğıt parçaları yerine elektriksel olarak yüklenmiş yakıt atomlarını yani iyonları, yünlü kumaşa sürterek statik olarak elektriklendirdiğimiz plastik çubuk yerine ise elektriksel olarak yüklü, ızgara biçiminde bir elektrot kullandığımızı düşünelim. Bu durumda iyonlar, elektrot ile aralarındaki elektriksel etkileşimden yararlanılarak, itki motorunun dışına doğru hızlandırılabilir.

Hall Etkili İtki Motorları

TÜBİTAK UZAY tarafından geliştirilen İMECE uydusunda Hall etkili itki motorunun kullanılması planlanıyor.

Hall etkili itki motorlarında Hall etkisi olarak bilinen bir olgudan yararlanılır. Hall etkisi 1879’da ABD’li fizikçi Edwin Hall tarafından keşfedilmişti.

 

Hall Etkisi Nedir?

Üzerinden elektrik akımı geçen iletken bir malzeme, manyetik alan çizgileri elektrik akımının yönüne dik olacak şekilde, bir manyetik alan içine yerleştirildiğinde akımı taşıyan elektrik yükleri manyetik alandan etkilenir. Bu durum artı yüklü parçacıkların iletkenin bir tarafında, eksi yüklü parçacıkların ise diğer tarafında toplanmasına neden olur. Artı ve eksi yüklü parçacıkların iletken malzemenin zıt taraflarında birikmesi sonucu bir potansiyel farkı oluşur. Bu olgu Hall etkisi olarak isimlendirilir.

Hall etkili itki motorlarında silindir biçiminde bir ucu kapalı diğer ucu açık bir plazma odası vardır. Plazma odasının kapalı ucunun merkezinde halka biçiminde bir anot bulunur. Yüksek enerjili elektronları oluşturan katot, plazma odasının dışına yerleştirilir. Plazma odasının merkezinde ve etrafında manyetik alan oluşturan mıknatıslar bulunur.

İnfografiği büyütmek için üzerine tıklayın.

Japon Uzay Ajansı’nın (JAXA) 1999 JU3 asteroidinden örnek alıp Dünya'ya getirmesi için tasarladığı Hayabusa 2 uzay aracında, NASA’nın Mars ve Jüpiter arasındaki Asteroit Kuşağı’nda bulunan Vesta ve Ceres asteroitlerini incelemek amacıyla uzaya gönderdiği DAWN uzay aracında iyon itki motorları görev yapıyor.

HALE projesi kapsamında geliştirilen itki motorunun işlevsel test sırasındaki görüntüsü

Yerli telekomünikasyon ve yer gözlem uydularının (örneğin Türksat 6A ve İMECE uyduları) itki motoru ihtiyacını karşılamak amacıyla TÜBİTAK Uzay Teknolojileri Araştırma Enstitüsü (TÜBİTAK UZAY) tarafından üretim ve test süreçleri devam eden HALE projesinde ise Hall etkili itki motoru kullanılıyor.

 

Kaynaklar:

• Goebel, D. M. ve Katz, I., “Fundamentals of Electric Propulsion: Ion and Hall Thrusters”, Jet Propulsion Laboratory California Institute of Technology, 2008.
• Choueiri, E. Y., “New Dawn for Electric Rockets”, Scientific American, Cilt 300, s. 58-65, 2009.
• http://sci.esa.int/smart-1/34201-electric-spacecraft-propulsion/?fbodylongid=1538