Uydularda Kullanılan Güneş Panelleri

Sovyetler Birliği tarafından üretilip 04 Ekim 1957’de uzaya fırlatılan ve Dünya’nın etrafındaki yörüngeye yerleştirilen ilk uydu olan Sputnik 1 ile “uzay çağının” başladığı kabul edilir. Yaklaşık 58 cm çapındaki ve 83,6 kg ağırlığındaki Sputnik 1 uydusu ile yörüngeye girme, yörüngedeki uyduyu optik ve radyo sinyalleri ile takip etme testleri yapılmış, radyo sinyallerinin atmosferdeki yayılımı ve atmosferin yoğunluğu hakkında bilgi elde edilmişti. Moskova Radyosu, 26 Ekim 1957’de uydunun bataryaları tükendiği için iletişimin kesildiğini duyurmuştu. 92 gün boyunca Dünya çevresinde 1440 tur atan Sputnik 1 uydusu, 04 Ocak 1958’de Dünya atmosferine girmiş ve yanarak yok olmuştu.

NASA Sputnik 1 uydusu (solda) ve uydunun fırlatılma anı (sağda)

Sputnik 1 uydusu, ABD ve Sovyetler Birliği arasındaki uzay yarışında Sovyetler Birliği’ni üst bir konuma taşımıştı. ABD, ilk uydunun Sovyetler Birliği tarafından uzaya gönderilmesine Explorer 1 uydusu ile cevap verdi ve uzay alanındaki çalışmalarına ivme kazandırmak üzere 01 Ekim 1958’de Ulusal Havacılık ve Uzay Dairesi’ni (NASA) kurdu.

1958’de fırlatılıp Dünya’nın etrafındaki yörüngeye yerleşen ABD’nin ikinci ve dünyanın dördüncü uydusu olan Vanguard 1, uzay yarışında önemli bir ilki barındırıyordu: güneş panelleri. Elektrik enerjisini Güneş’ten elde etmesi için Vanguard 1 uydusuna altı güneş paneli monte edilmişti. Her bir güneş panelinde 2 x 0,5 cm boyutlarında, %8 verimle çalışan sekiz silisyum güneş gözesi kullanılmıştı. Uzay ortamının zorlayıcı koşullarından korumak amacıyla güneş gözelerinin üzerine 160 mikrometre (metrenin milyonda biri) kalınlığında kuartz cam yerleştirilmişti.

U.S. Naval Research Laboratory Vanguard 1 uydusu (solda) ve uydunun fırlatılma anı(sağda)

Çapı yaklaşık 16 cm ve kütlesi 1,6 kg olan Vanguard 1’in uydu sistemlerinin güç ihtiyacını karşılayan bataryalar yirmi gün sonra devre dışı kalmıştı. Ancak güneş panelleri sayesinde uydu ile iletişim 1964’e kadar devam etti. Vanguard 1 uydusu sayesinde güneş paneli kullanılarak uyduların ilk örneklerinde hafta ölçeğinde olan çalışma süresinin yıllara çıkarılabileceği anlaşıldı. Halen Dünya yörüngesinde hareket eden Vanguard 1 uydusu uzayda kalan insan yapımı en eski cisimdir.

Güneş enerjisinden başka enerji kaynakları olsa da Vanguard 1 uydusunun fırlatılmasından günümüze birçok uzay aracında güneş panelleri kullanıldı. Örneğin insanlığın uzayda inşa ettiği en büyük yapı olan Uluslararası Uzay İstasyonu’nun (ISS) yüksek güç ihtiyacını karşılayan güneş panelleri özellikle bahsedilmeye değer.

NASA Uluslararası Uzay İstasyonu’nun fotoğrafı

ISS’nin güneş panellerinde %14,2 verimle çalışan toplam 262.400 silisyum güneş gözesi var. ISS’nin güneş panelleri 120 kilowatta kadar güç üretebiliyor. Güneş panellerinden elde edilen enerjinin %60’ı ISS gölgede kaldığı zamanlarda kullanılan bataryaları şarj etmek için harcanıyor.

NASA İstasyonun her iki yanında 11,9 m eninde ve 34,1 m boyunda sekiz güneş paneli bulunuyor.

ISS’nin güneş panellerindeki güneş gözeleri esnek taşıyıcı alt tabana yerleştirilmişti. Bu sayede güneş paneli uzaya katlı bir şekilde gönderildikten sonra akordeon gibi açılarak son halini aldı.

ISS’de Avrupa Birliği, ABD, Rusya, Kanada ve Japonya’dan altı astronot dönüşümlü olarak görev yapıyor. Astronotlar görevleri sırasında bilimsel deneyler gerçekleştirmenin yanı sıra istasyonun bakım ve onarım işlerini de yapıyor. Uydular uzay şartlarına göre tasarlanmış ve test edilmiş olsa da uzaydaki zorlayıcı koşullarda uydu sistemlerinde çeşitli arızalar meydana gelebiliyor. Uydularda kullanılan güneş panelleri de bu açıdan bir istisna değil. Örneğin ISS’in güneş panellerinin birinde panelin açılması sırasında bir yırtık oluşmuştu. Sorun, astronot Scott Parazynski’nin gerçekleştirdiği 7 saat 19 dakika süren tamir işleminden sonra çözülmüş ve güneş paneli başarılı bir şekilde açılmıştı.

NASA ISS’nin hasar gören güneş panelini tamir etmeye çalışan astronot Scott Parazynski

Avrupa Birliği ve ABD ortaklığı ile tasarlanıp üretilen Hubble Uzay Teleskobu 24 Nisan 1990’da Discovery uzay mekiği ile uzaya gönderildi. Teleskobun güneş panellerinin uzay şartlarına maruz kaldıktan sonra incelenmek üzere tekrar yeryüzüne getirilmesi planlanmıştı. Bu nedenle güneş gözeleri esnek bir taşıyıcı alt taban üzerine yerleştirilen Hubble Uzay Teleskobu'nun güneş paneli rulo gibi sarılabilen bir tasarıma sahipti.

ESA Hubble Uzay Teleskobu’nun güneş panelinin incelemesi sırasındaki fotoğrafı

Ancak Hubble fırlatıldıktan sonra teleskobun aynalarında bir sorun olduğu anlaşıldı. Ayrıca teleskop Güneş’in önünden geçerken ve gölgede kaldığı zamanlarda genleşme ve büzülme nedeniyle küçük sarsıntılar oluştuğu tespit edildi. Bu sorunlar çok uzak yıldızları ve gökadaları gözlemlemek amacıyla kullanılması planlanan Hubble Uzay Teleskobu’nun net görüntüler çekememesine neden oluyordu.

NASA Hubble Uzay Teleskobu

Teleskoptaki bu problemleri düzeltmek üzere uzaya gönderilen yedi astronottan oluşan ekibi taşıyan Endeavour uzay mekiği 02 Aralık 1993’te fırlatıldı. Toplam 35 saat 28 dakika süren bakım çalışmasının 6 saat 35 dakikası eski güneş panellerinin çıkarılıp yeni güneş panellerinin teleskoba takılmasına harcandı. Çıkarılan güneş panellerinden biri katlanarak Dünya’ya geri getirildi. Diğer güneş paneli ise katlanma sırasında çıkan bir problem nedeniyle astronot Kathy Thornton tarafından teleskoptan ayrılarak Dünya atmosferine girip yanmak üzere serbest bırakıldı.

NASA Fotoğrafta astronot Kathy Thornton, Hubble Uzay Teleskobu’nun katlanıp kapanamayan güneş panellerinden birini sistemden ayırıp uzaya bırakırken görülüyor.

Hubble Uzay Teleskobu’nun ikinci set güneş panelleri yörüngede sekiz yıl görev yaptıktan sonra ikinci bakımda değiştirildi ve Dünya’ya geri getirildi. Güneş panelleri üzerindeki güneş gözeleri incelendiğinde birçok mikrometeroidin (mikrometeroidler uzayda çok yüksek hızlarda hareket eden, çok küçük boyutlu toz parçacıklarıdır) çarpma izine rastlandı. Güneş gözelerinin yüzeyini kaplayan koruyucu malzeme birçok yerde güneş gözelerinin zarar görmesini engellemişti. Ancak Hubble’ın güneş panellerine çarpan mikrometeroidlerin bazılarının enerjisi hem güneş gözesini hem de daha alttaki katmanı delip geçecek kadar yüksekti.

ESA Fotoğrafta Hubble Uzay Teleskobu’nun ikinci set güneş panellerine çarpan mikrometeroidlerin sebep olduğu hasarlar görülüyor.

Yerli Uydular İçin Güneş Paneli Geliştirilmesi

Günümüzde Güneş’i incelemek ya da derin uzay görevlerinde kullanmak amacıyla tasarlanan birçok uzay aracında güneş panelleri kullanılıyor. Bunun için uzaydaki zorlayıcı koşullarda (örneğin Güneş’ten gelen enerji miktarının düşük olduğu düşük ışınım ve düşük sıcaklık koşulları ile Güneş’ten gelen enerji miktarının yüksek olduğu yüksek ışınım ve yüksek sıcaklık koşullarında) görev yapabilecek güneş panellerinin geliştirilmesi gerekiyor.

Ülkemizde yerli uyduların güneş paneli ihtiyacını karşılamak amacıyla geliştirilen Uzay Kalifiye Güneş Paneli Geliştirilme Projesi, TÜBİTAK Marmara Araştırma Merkezi Malzeme Enstitüsü tarafından yürütülüyor. Proje kapsamında 2015’te başlayan çalışmalarda uluslararası standartlarda üretim ve test altyapısı kuruldu.

TÜBİTAK Uzay Teknolojileri Araştırma Enstitüsü

Bu altyapı kullanılarak yerli yer gözlem uydusu İMECE için deneysel güneş paneli geliştirme çalışmalarına devam ediliyor.

Kaynaklar:

• http://www.russianspaceweb.com/sputnik_mission.html 
• https://history.nasa.gov/sputnik/sputorig.html
• https://history.nasa.gov/SP-4202.pdf 
• https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19710028154.pdf 
• https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20030022670.pdf 
• https://www.nrl.navy.mil/news/releases/nrl-celebrates-60-years-space-van...
• https://www.nasa.gov/feature/international-space-station-solar-arrays 
• https://www.esa.int/Our_Activities/Human_Spaceflight/International_Space...
• https://www.nasa.gov/multimedia/imagegallery/image_feature_949.html
• https://www.nasa.gov/mission_pages/shuttle/shuttlemissions/archives/sts-...