Connect with us

Kozmik Anafor Arşivi

Nükleer Piller

Bu yazıyı yaklaşık 12 dakikada okuyabilirsiniz.

Saatinizin kadranını sabırla döndüren çarkları ve mekanizmayı hareket ettirir, her an kendini yer bitirir, farkında olmazsınız. Bilgisayarınızın her seferinde doğru biçimde başlatılması için gerekli ön ayarları saklaması ve kapalıyken saatini hesaplamak için gerekli enerjiyi sağlar ama gıkını bile çıkarmaz. (Yine de ortam sıcaklığına biraz dikkat edin. Sessizce kendini yiyip bitirebilir, haberiniz bile olmaz). Aracınızın motorunu çalıştırır. Yeri gelir kumandanıza, yeri gelir kalbinize bile can verebilir.

Evet, kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine dönüştüren mekanizmalardan, pillerden bahsediyoruz.

Elektrik, elektronların hareketi demek. Piller ise bu hareketi şöyle sağlıyor: Pilin yapısında bulunan maddeler (çinko, gümüş, lityum, cıva, nikel vb.) pil bünyesindeki uygun çözelti ile kimyasal bir reaksiyona giriyor.

old_pocket_watch-wallpaper-1280x768

Bu reaksiyon sistemde artı ve eksi yükler arasında kutuplaşma yaratıyor ve pilin artı ve eksi olan iki ucu (bir miktar iletkenliği olan bir madde ile) birleştirildiğinde, eksi uçtan artı uca elektronlarımızın yolculuğu başlıyor. Böylelikle elektrik üretmiş oluyoruz.

Şu an için gezegenimizde belki yüzlerce farklı yöntem ile elektrik üretebiliyoruz ancak bildiğimiz kadarıyla ilk elektrik üretimi kabaca yukarıdaki biçimde oldu. Hatta şurada da göreceğiniz üzere, ilk elektrik üretimi volta pilinden (17’inci yy sonu) en az 2 bin yıl önce, M.Ö 600-200’lü yıllar arasında gerçekleşmişti.

Peki neden gezegence el ele tutuşup elektrik enerjisi ihtiyacımızı pillerden karşılayamıyoruz? Neden hala petrol kullanıyoruz? Neden çipleri ve kartları bu kadar küçültebildik de, pilleri bir türlü küçültemedik? Neden daha ufak alanlarda daha çok enerji depolayamıyoruz? Neden en azından çok kısa sürelerde şarj edemiyoruz? Pil konusunda bu kadar ısrar etmek, ya da “telefonumun hemen şarjı bitiyor” şeklinde yakınmak ne kadar mantıklı? Babam böyle pasta yapmayı nereden öğrendi?

Energizer_batteries_by_Kadamx

Cevapları farklı olan bu soruları neden arka arkaya sıraladık, bilmiyoruz. Yine de bu sorulara “yeterince yerimiz, kaynağımız ve hazırlığımız yok” ya da “hayır, bunları yapabiliyoruz” cevaplarını verebiliriz. Soruları ciddi bir şekilde sormak gerekirse, gezegen olarak elektriğe bağımlı ve bağımlı olmaya devam edeceğimiz sonucunu çıkarabiliriz. Elektrik ihtiyacımızın bir kısmını pillerle karşılamaya da devam edeceğiz. Peki pillerden (ya da enerji ürettiğimiz diğer şeylerden) beklentilerimiz neler? Cevap verelim; Beklentimiz, üretilen enerji miktarı (kapasite) ve üretecimizin ömrünün artması. İster istemez konu burada fiziğin klişe terimine, enerjinin korunumuna geliyor.

Bir yapı, bir sistem ya da bir gezegen düşünelim ve içeriğindeki bütün değişkenlerle birlikte sistemin sahip olduğu toplam enerjiyi bildiğimizi varsayalım. İçerikte bulunan enerji miktarını değiştiremez, ancak ve ancak dönüştürebilirsiniz. Buna enerjinin korunumu adı verilir. Gezegenimizde elektrik ihtiyacını kimyasal maddeler, kimyasal madde ihtiyacını elektrik, ulaşım ihtiyacını potansiyel enerjiden karşıladığımız gibi. Bu işler bedavaya olmuyor maalesef. Ancak elbette fiziği görmezden gelecek kadar çok şey bildiğini zannedip, yoktan enerji var edebileceğini iddia edenler de yok değil.

Aslında tek yaptığımız Güneş sistemimizde hali hazırda var olan enerjiyi, ihtiyaçlarımıza göre başka enerji formlarına dönüştürmek. Aynı miktarda metal ve çözelti ile aynı miktarda enerji üretirsiniz. Daha fazlasıyla daha da fazlasını. Dolayısıyla tek ihtiyacınız olan, bu malzemeleri temin edip gerekli düzeneği kurmak. Sonra aksın elektronlar.

energy

Güneş enerjisinden hala maalesef yeterince verimli faydalanamıyoruz. Bu da, Güneş enerjisinin yaygınlaşmasının önünde bir engel olarak duruyor.

 

Aynı miktarda malzeme ile pilin ömrünü uzatmak için ise, daha çok verimle daha uzun süre özelliğini yitirmeden pili çalıştıran başka malzemeler kullanmak veya malzemenin kalitesini ya da malzemeden alınan verimi artırmak gerekecek. Her ne kadar istisnalar olsa da, iki konuda da teknolojinin diğer alanlarına kıyasla uzunca bir süredir fazla bir yol katedebildiğimizi ve gelecekte benzer yöntemlerle devasa adımlar atabileceğimizi söylemek güç. Zira konu klasik yöntemlerle enerji üretimi ise, elimizdeki malzemeyi sıkıştırırken ister istemez bazı limitlerimiz olacaktır. Sizler daha hızlı, daha fazla işlem yapan ve daha küçük PC temelli cihazlar talep ediyorsanız, pil geliştiriciler ne yapsın değil mi?

Belki de soruyu şu şekilde değiştirmek gerek: “Size ne lazımdı?” Öncelikle ne istediğinize karar vermelisiniz. 50 sene boyunca hiç durmadan zaplarken kumandanızın pilinin bitmesini istemiyorsanız, sizi en arka sayfadaki İsviçreli bilim adamlarına iteleyelim. Telefonunuzun şarjının haftalarca dayanmasını istiyorsanız, biraz daha sabırlı olun ve teknolojiyi, kaynakları daha az tüketin. Ne bileyim, 90’lara falan gidebilirsiniz.

Pillerle çalışan arabanızı şarja ihtiyaç olmadan daha uzun süre kullanmak istiyorsanız (en azından yakıt ile çalışan araçlara yakın seviyede) çok uzun süre beklemeyeceksiniz. Yalnız şehirlerin, devasa boyutlardaki fabrikaların elektrik ihtiyacını yalnızca pillerle karşılamayı planlıyorsanız hatırı sayılır bir süre beklemeniz ya da en baştan vazgeçmeniz gerekebilir. Başka bir şekilde ifade etmek gerekirse pilleri el cihazlarında, düşük enerjili cihaz ve sistemlerde ya da yedeklenmesi zorunlu sistemlerde alan probleminiz olmadığı sürece verimli biçimde kullanabilirsiniz. Mecbur kalmadığımız sürece, daha çok elektrik için farklı üretim sistemlerini kullanmaya devam etmek  daha verimli ve mantıklı görünüyor.

Peki… Uzay istasyonunuzda, denizaltınızda enerji ihtiyacınız var ve pil dışında bir alternatifiniz yok mu? Pilinizi kullanacağınız ortamda düşük/yüksek sıcaklık veya basınç probleminiz mi var? Sıradan piller bu koşullarda özelliğini yitiriyor mu? Ben pilimi buraya koyarım, şarj da etmem, cihazımı da yüzlerce sene bu pille çalıştırırım mı diyorsunuz?

Çare Nükleer!

Önyargılı yaklaşmayın. Yeterince güvenli, hatta kimyasal pillere kıyasla zararsız sayılabilecek yöntemler de mevcut.

Nükleer pili, “radyoaktif ışımayı elektrik enerjisine çeviren cihaz” olarak düşünebilirsiniz. Buradaki yakıtımız radyoaktif elementimiz ve türevleri olacağından, pilimizde kullanacağımız elementin yarılanma süresi hesaba katıldığında ömür konusunda ciddi bir artımız olabilir.

widescreen-radioactive-nuclear-wallpaper-warning-backgrounds-mac-95443

Yukarıda pillerin nasıl çalıştığını, kimyasal reaksiyon sonucu nasıl elektrik üretildiğini açıklamıştık. İkisi de pil, aynı şekilde enerji üretiyor diye düşünebilirsiniz ancak tam olarak öyle değil. Zira nükleer piller birçok farklı metodla elektrik üretirken, bu metodlardan hiçbiri yukarıdaki kimyasal reaksiyonları içermiyor.

Nükleer pilleri iki ana başlık altında inceleyebiliriz.

Isı enerjisini elektrik enerjisine çeviren, termal nükleer piller ve farklı yöntemlerle elektrik enerjisi üreten diğer nükleer piller.

TERMAL NÜKLEER PİLLER

Termal nükleer piller, radyoaktif elementin yaydığı ısıdan faydalanır. Yalnız faydalanılan ısı, radyoaktif elementte (nükleer reaktörler gibi) oluşturulan nükleer tepkimelere değil,  radyoaktif elementin kendiliğinden azalmasına (ışıması) dayanır. Yani öyle patlama, havaya uçma gibi bir durumu yok.

Isıyı elektrik enerjisine çevirme metodlarımızın radyoaktiviteye uygunluğunu hesaba katarsak, şimdilik 5 farklı metod kullanıldığını söyleyebiliriz.

Radyoizotop Termoelektrik  Jeneratör

Oluşan ısıyı termocouple’lar (termoelektrik jeneratör) vasıtası ile elektrik enerjisine dönüştürür. Bu cihazla ilgili şu yazımıza da göz atabilirsiniz.

Isıl Elektronik (Thermionic) Dönüştürücü

Oluşan ısıyı, pil sistemi içinde ortamı kimyasal olarak koşullandırmak suretiyle; artı ve eksi kutuplar arasında iyonizasyon metodu ile elektron transferi için kullanarak elektrik üretir.

Stirling Radyoizotop Jeneratörü

Isıyı Stirling motoru metodu ile hareket enerjisine dönüştürüp, bir jeneratör vasıtasıyla buradan elektrik elde eder.

Termofotovoltaik Hücreler

Isı enerjisini fotonlar (infrared) vasıtasıyla elektrik enerjisine dönüştürür.

Alkali Metal Isıl Dönüştürücü

Isıyı elektriğe dönüştürmek için ısıtılan alkali metallerin buharlarının genleşmesinden faydalanılır.

ISI KULLANMADAN ELEKTRİK ENERJİSİ ÜRETEN DİĞER NÜKLEER PİLLER

Direk Yüklü (Direct Charging) Jeneratör

Bizzat radyoaktif maddemizin saçtığı Beta ve Alfa parçacıkları elektron kaynağı olarak ve elektrik üretimi için kullanılır.

Betavoltaik Nükleer Piller

Beta ışımalarında saçılan parçacıklar, uygun yarı iletkenlerce (betavoltaik hücre) toplanıp elektrik üretiminde kullanılır.

Alfavoltaik Nükleer Piller

Alfa ışımalarında saçılan parçacıklar, uygun yarı iletkenlerce (alfavoltaik hücre) toplanıp elektrik üretiminde kullanılır.

Optoelektrik Nükleer Piller

Işımalardan elde edilen enerjiyi ıışık enerjisine, ışık enerjisini de elektriğe dönüştürür.

Elektromekanik Nükleer Piller

Piezoelektrik bir maddenin radyoaktif ışıma ile hareketlendirilmesi ve ve bu hareket ile oluşan sürekli salınımından elektrik üretilmesi.

Bakınız, yine sürpriz olmadı ve bir takım enerji türleri elektrik enerjisine dönüştürüldü.

Nükleer pil için yakıtımız radyoaktif elemenler ve izotopları olacağından, pilimizde kullanacağımız elementin yarılanma süresi hesaba katıldığında pilin ömrü konusunda ciddi bir artımız (yer yer ortalama insan ömründen çok daha fazla) olabilir. Uygun elementleri kullanarak onlarca, hatta belki yüzlerce yıl elektrik üretebilecek düzenekleri inşa edebiliriz.

Enerji yoğunluğuna gelirsek… Şu anda ortalama bir betavoltaik pil ile, ortalama bir lityum AA pile oranla 400 kattan daha fazla enerji yoğunluğu elde edebileceğinizi biliyor muydunuz? Nükleer pillerin bir diğer avantajı ise, boyutları. Güneş pilleri ve kimyasal pillere oranla binlerce kat daha az yer kaplayabiliyorlar!

Günlük hayatta kullandığınız pillerin ortam koşullarından etkilenmediğini düşünüyor olabilirsiniz. Bir daha düşünün. Zorlu sıcaklık ve basınç koşullarında pillerinizi test etmeyi denediniz mi? Denemeyin! Fakat nükleer pilinizin fiziksel formunu ve iç yapısını bozmadığınız sürece, emin olun hiç bir dış koşuldan etkilenmeyecek ve pilin yakıtı bitinceye kadar elektrik elde etmeye devam edeceksiniz. Madem bu kadar artısı var, neden kullanmıyoruz diyeceksiniz.

Bir kere yaygın ticari kullanım için şu aşamada biraz pahalı ve zahmetli görünüyor. Bir anda dünyadaki bütün ülkeler anlaşıp “5 sene içinde nükleer pillere geçiyoruz, şu andan itibaren kimyasal dışıyız!” dese; buna ne fiziksel ne de maddi kaynak dayanır. Ayrıca termal nükleer piller için ısıyı, (binlerce dereceyi bulabilir) tüm nükleer piller için radyoaktif maddeyi izole etmek için yeterince sağlam (ve yer yer pahalı) bir izolasyon malzemesi gerekecektir. Bakkaldan 75 kuruşa Varto marka pil almak hayal olacaktır.

Ayrıca, bazı radyoaktif maddeler seri üretimde kullanılamayacak kadar değerli ya da yok denecek kadar az. Örneğin NASA’nın elinde yalnızca üç tane daha derin uzay projesine yetecek kadar Plütonyum-238 kalmış bulunuyor (eski nükleer silah fabrikalarından kalan, onlarca kilogram kadar) ve şu anda Amerika’da Enerji Bakanlığı’nın üretebildiği yıllık plütonyum miktarı yüzlerce gramı geçmiyor.

Dahası, atık problemi. Kullandığınız sıradan piller ve diğer tüm piller-aküler ile ilgili yasal düzenlemeler 2005 yılından itibaren geçerli oldu. Yani 2005 yılına kadar Türkiye’de pilleri dilediğiniz gibi kullanıp, işiniz bittiğinde dilediğiniz gibi doğaya bırakabiliyordunuz. Kullandığınız pilleri doğaya bıraktığınızda ise, pilin içeriğindeki kimyasallar zaman içinde toprağa karışıp içme suyu ve tükettiğiniz besin maddelerine dahil olabiliyor.

battery7

Atık piller geri dönüştürülmezlerse çevreye son derece zararlı olabilirler.

 

2005 sonrasında ise, ülkemizde atık pil toplama ve ayrıştırma konusunda yetkili tek merci olan TAP (Taşınabilir Pil Üreticileri ve İhracatçıları Derneği) atık pilleri topluyor, elle türlerine göre ayrıştırıyor ve ülkemizde hiç bir geri dönüşüm tesisi olmadığından; atık pillerin büyük çoğunluğu depolarda muhafaza ediliyor. Ülkenin dört bir yanında kullanılan pillerin yüzde kaçı bu depolara dönüyor, kestirmek güç. Bir an için ticari amaçlı kullanılan kimyasal pillerin yerini nükleer pillerin aldığını varsayalım ve geri dönüşümü hesaba katalım. Zira kullanılmaz duruma gelen veya kullanılmayan/atığa dönüşen nükleer piller dahi az da olsa radyoaktivite içerecektir.

Yukarıdaki tabloyu nükleer pillere uygulayacak olursak, bundan 50-100 sene sonrasında yaşananlar pek iç açıcı olmayabilir. Tüm bu sebeplerden ötürü, nükleer piller şu an için kutuplarda gerçekleştirilen projelerde, uzay projelerinde,  denizaltılar ve deniz altında yürütülen projeler vb zorlu koşullarda kullanılmakta. Bunun yanında, her ne kadar radyoaktiviteyi insanoğlundan yeterince uzağa taşımaya çalışıyor olsak da, hastayı sık sık ameliyathaneye almamak adına kalp ritmi düzenleme amacıyla betavoltaik piller yaygın olarak kullanılıyor.

Peki gerekli düzenlemeler yapılırsa, sıkı bir kontrol mekanizması olursa ne olur? Örneğin bir pil takip sistemimiz olursa ve üretilen her bir nükleer pil üretiminden geri dönüşümüne kadar takip edilebilirse, ne olur? Peki ya nükleer pil sektöründe seri üretimine geçilerek yüksek maliyetlerin önüne geçildiğinde neler olacak? Kullandığınız cep telefonunun üreticisi, kullandığınız telefonun model isminin yanına kısa süre içinde bir “S” ekleyeceğinden, 1-2 sene kullanıp atacağınız telefonunuzu, kullandığınız süre boyunca hiç şarj etmeden kullanabildiğinizi hayal edebiliyor musunuz? Veya dizüstü bilgisayarınızı onlarca sene hiç kapatmadan kullanabildiğinizi?

Günümüz insanının en büyük sorunlarından biri, telefon, tablet ve bilgisayarlarının pilinin yeterli süre boyunca ihtiyacını karşılayamaması.

 

Yüzyıllardır üretim üzerine varlığı devam eden dünyamızda, daha az hammadde ile daha çok ve binlerce kat daha verimli enerji elde etmek. Yukarıdaki senaryolar gerçekleşirse, muhakkak ki Dünya bugünkünden biraz daha farklı bir yer olacak. Kaldı ki yalnızca birkaç örnekten bahsettik. Nükleer pillerin hayatımıza girmesiyle şebeke elektriği kullanımı da rakamları etkileyecek kadar ciddi oranlarda azalacaktır.

Ancak her şeyden önce gerekli hazırlık ve önlemler için zahmetli bir ön çalışma gerekiyor. Örneğin nükleer pillerde kullanıma uygun radyoaktif maddelerin bir kısmı, nükleer reaktörlerde gerçekleşen tepkimeler sonucu oluşan atıklar arasında yer alıyor. Nükleer pil endüstrisi yukarıdaki aşamaları kaydederse, ülkeler ve büyük şirketler nükleer reaktör yatırımlarını artıracak ve bu durum ciddi yaşamsal dezavantajlarıyla birlikte haklı toplumsal tepkilere sebep olacaktır.

Ciddiye alınması gereken bu felaket senaryolarıyla birlikte, bu seviyede yaygınlaşmasa bile nükleer pillerin gelecekte hayatımıza daha çok girecek olması kaçınılmaz görünüyor.

Sen. Evet sen!

Sabahtan beri elinden telefonu düşürmeyip %5 şarjı kalan arkadaşım. Evet, tüm bunlar senin yüzünden. Mutlu musun?

Hazırlayan: Erman Özkal

Kaynakça:
http://www.slideshare.net/saurabhnandy007/seminar-on-nuclear-batteries
http://www.slideshare.net/asertseminar/nuclear-battery-ppt-321618177
http://www.popsci.com/nasa-can-make-3-more-nuclear-batteries-and-thats-it
http://large.stanford.edu/courses/2011/ph241/chenw1/
http://www.fzk.yildiz.edu.tr/images/files/Betavoltaik_tr.pdf
http://www.rec.org.tr/dyn_files/31/4978-Gun2-TAP.pdf

Click to comment

Leave a Reply

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.

Kozmik Anafor Arşivi

Video: Gökalp Gönen İle Animasyon ve CGI

• İçerik Üreticisi:

Bu yazıyı yaklaşık 1 dakikada okuyabilirsiniz.

Kozmik Anafor ve Hypatia Bilim işbirliği içinde hazırladığımız “Meğer Hepsi Kurguymuş” isimli programımızda; Pentagram’ın Sur klibindeki kısa animasyon filmi ile geniş bir tanınırlığa kavuşan Gökalp Gönen konuğumuz oldu…

Gökalp Gönen, dünya çapında Avarya gibi başarılı animasyon filmlerine imza atan, çok sayıda uluslararası ödüle sahip başarılı bir yönetmen ve animasyon sanatçısıdır. Nurcan Seven ve Ümit Çakır moderatörlüğündeki programımızın Youtube videosunu, aşağıdan veya bu linke tıklayarak izleyebilirsiniz.

Hypatia Bilim ve Kozmik Anafor ortaklığında Youtube kanalımızda, yeni çalışmalarımızla sizlerle birlikte olmayı sürdüreceğiz. Kozmik Anafor Astronomi Platformu olarak, her zaman popüler bilim platformlarının işbirliği içinde olmasının, ülkemizde bilimin tüm halk tabanında yeterince değer görmesi açısından gerekliliğini dile getiriyoruz ve bildiğiniz gibi ülkemizin BilimfiliGerçek BilimAçık Bilim,  Gelecek Bilimde ve Feza Gezginleri gibi takdir edilesi popüler bilim platformlarıyla her zaman işbirliği içinde oluyoruz.

Unutmayın, popüler bilim platformları ve bilim insanları, birbirleriyle işbirliği içinde olmazlar, yalnız başlarına hareket etmeyi tercih ederlerse, ülkemizde bilim halk tabanında yeterince yaygınlaşamaz ve değer göremez!

Hypatia Bilim‘i Youtube üzerinden takip etmek için bu linke,
Kozmik Anafor‘u Youtube üzerinden takip etmek için ise bu linke tıklayıp abone olabilirsiniz.

Okumaya devam et

Güneş Sistemi

Maat Mons, Venüs’teki Dev Volkan

• İçerik Üreticisi:

Bu yazıyı yaklaşık 2 dakikada okuyabilirsiniz.

Maat Mons, Venüs’teki en yüksek ikinci dağdır. Onu Venüs’ün diğer yüksek dağlarından ayıran şey ise, gezegenin en yüksek yanardağı olmasıdır.

Venüs’ün atmosferi kalın bulutlarla kaplıdır. Bu nedenle yörüngeden yüzeyinin görüntülenebilmesi mümkün değildir. Ancak, 1990’lı yıllarda Magellan Uzay Aracı sayesinde, yüksek çözünürlüklü radar görüntüleri ile kalın Venüs bulutlarını yarıp geçerek gezegenin ilginç yüzey oluşumlarını inceleme fırsatını elde etmiş olduk.

Venüs yüzeyinde bilinen en belirgin oluşumlar, hiç kuşkusuz ki volkanlardır. Gezegen üzerinde 1.100 den fazla volkan oluşumu olduğunu biliyoruz. Henüz onların hala etkin birer yanardağ olup olmadıkları ile ilgili kesin bir kanıya sahip olmasak da, bu oluşumların Venüs yüzey şekillerini son 300 ile 500 Milyon yıl öncesine kadar önemli ölçüde değiştirdiklerinden eminiz.

Üstteki fotoğrafta yer alan bu üç boyutlu görüntü, Venüs’ün bilinen en büyük volkanı olan Maat Mons yanardağına ait. Macellan Sondasından alınan radar görüntülerini ve Venüs yükseklik verilerini birleştiren gökbilimciler, sonuçta bu üç boyutlu Venüs volkan yapısı görüntüsünü oluşturmayı başardılar.

İsmini Eski Mısır’ın adalet ve doğruluk tanrısı Maat’dan alan bu volkan oluşumu, yaklaşık 395 km çapa ve yüzeyden yaklaşık 8 km yüksekliğe sahip. Görselde Maat Mons’u, zirvesinden 560 km uzakta ve yerden yaklaşık 1,6 km yukarıdaki bir bakış noktasından görüyoruz. Ön tarafta görmüş olduğumuz oluşumlar, katılaşmış lav akıntılarıyla kısmen kapalı duruma gelmiş ve ciddi oranda parçalanmış ovalardır.

Araştırmalar, Maat Mons’un zirvesinden lav akış izleri olduğunu gösteriyor. Bu da volkanın nispeten yeni bir tarihte patladığının, hala aktif bir volkan olduğunun işareti olarak niteleniyor. Yine de, radar verileri ile bu görüşü doğrulamak mümkün değil. Dünya’ya yakın büyüklük ve kütlesiyle Venüs’ün jeolojik olarak hala aktif bir gezegen olduğuna eminiz ancak, tüm atmosferini kaplayan bulutların görünür ışık dalga boyunda gözleme izin vermemesi nedeniyle kesin bir kanıta şimdilik ulaşamıyoruz.

Hazırlayan: Sinan DUYGULU

https://www.lpi.usra.edu/meetings/lpsc1994/pdf/1475.pdf
https://photojournal.jpl.nasa.gov/catalog/PIA00106

Okumaya devam et

Fizik / Astrofizik

Negatif Enerji ve Negatif Kütleli Madde Nedir?

• İçerik Üreticisi:

Bu yazıyı yaklaşık 3 dakikada okuyabilirsiniz.

Negatif enerji ve negatif kütle, özellikle “warp sürüşü” veya “solucan deliği” gibi kavramların konuşulduğu ortamlarda sıklıkla dile getiriliyor.

Bu kavramların gerçekliği her ne kadar tartışmalı olsa ve bilim insanlarının büyük kısmı tarafından spekülasyon olarak görülse de, ne olup olmadıklarını açıklamak gerektiğini düşündük.

Negatif Kütleli Madde

Negatif kütleli madde denildiğinde çoğumuzun aklına Antimadde ya da Karanlık Madde geliyor. Ancak, bunlarla karıştırmayınız. Teorik fizikte, negatif kütle sahibi madde, 0 ağırlıktan daha düşük kütleye sahip, “hiçbir şeyden daha hafif” diye tabir edebileceğimiz ve kütle çekimi tarafından çekilmeyen tersine itilen spekülatif bir egzotik maddedir.

Bir ya da daha fazla enerji durumunu ihlal eder. Bir tartı üzerine koyarsanız tartıya ters basınç uygular ve -10 kg gibi bir sonuç görürsünüz. Eğer evrende negatif kütleli egzotik madde çeşitleri varsa, gezegenlerin, yıldızların hatta galaksilerin kütle çekimleri tarafından çok uzaklara itilmiş ve belki de hiçbir zaman ulaşamayacağımız galaksiler arası derin uzayda bulunuyor olabilirler.

Peki fizik kanunlarını ihlal ediyorsa nasıl gerçek olabilecekmiş gibi konuşabiliyoruz? Böyle bir şeyin bizim evrenimizde bulunmaması gerekmez mi? Katı haldeki negatif kütleli madde, ancak “mükemmel sıvı” diye tabir edilen bir halde negatif kütle sahibi maddede bulunabilir.

Kanada, Montreal Üniversitesi’ndeki kozmologlar Saoussen Mbarek ve Manu Paranjape mükemmel sıvı haldeki negatif kütle sahibi bir maddenin hiçbir enerji durumunu ihlal etmediğini açığa çıkardı. Gereken tek şey, bu maddeyi Big Bang esnasında üretmiş olabilecek bir mekanizma. Kısacası şu anda böyle bir maddenin gerçekliğini ne inkar edip imkansız diyebilecek ne de onaylayabilecek bir durumdayız.

Negatif enerji

Negatif enerji, adından da anlaşılacağı üzere eksi değerleri olan enerji seviyelerine denir. Karanlık Enerji ile karıştırmayınız. Tamamen kuramsal olan negatif kütleli madde, aksine negatif enerji çeşitli kuantum durumlarında stabil olmayan şekilde mümkün olabiliyor.

Bununla birlikte karakteristik olarak negatif enerjiye oldukça benzeyen ancak negatif enerji sayılmayan ve çok küçük ölçeklerde gerçekleşen Casimir etkisinden de bahsedelim. 1933’te Hendrik Casimir, Kuantum Teorisi’nin kanunlarını kullanarak garip bir öngörüde bulundu. Casimire göre; (alttaki resimde görülen) vakum içerisindeki iki adet paralel, yüksüz metal plaka birbirlerini itecekti.

Normalde yüksüz olan bu plakaların sabit durması gerekmekteydi ancak bu iki plaka arasındaki vakum boş değildi, gerçekliğe giriş, çıkış yapan sanal parçacıklar ile doluydu. Bu noktada sanal parçacıklarla ilgili yazımıza göz atmanız faydalı olacaktır. (Bkz. Belirsizlik ve Kuantum Dalgalanmaları)

Bu vakum, çok kısa ömürlü elektronların ve pozitronların ortaya çıkıp birbirlerini imha ederek yok olduğu kuantum aktiviteleri ile doludur. Normalde bu yoktan var olan ufak madde-antimadde olayları Enerjinin Korunumu Kanunu’nu ihlal ediyor gibi görünse de; belirsizlik ilkesi sebebiyle bu küçük patlamalar inanılmaz ölçüde kısa ömürlü olup, net enerjide değişikliğe sebep olmamaktadır. Böylece Casimir bu kısa ömürlü olayların plakalar arası vakumda bir basınç yaratacağını ve bu basıncın plakaları iteceğini keşfetti. Normalde bu plakalar birbirinden uzakken bu etki gerçekleşmezken, plakalar yaklaştırıldıkça aralarında bu enerji açığa çıkmaya başlar.

Bu enerji 1948’de laboratuvarda, Casimir’in öngördüğü gibi gözlemlendi. Bu enerjiyi ölçmek için inanılmaz hassas ve sanat eseri sayılabilecek ekipman gerektiğinden, 1996’da ilk hassas ölçüm yapıldığında bu etkiden kaynaklanan basıncın bir karıncanın ağırlığının 30 binde 1’i kadar olduğu bulundu. Tahmin ettiğiniz gibi uzay-zamanı bükmek için çok yeterli değil.

Negatif enerjiye başka bir örnek de, kara deliklerin buharlaşma sürecinde açığa çıkan ve Hawking radyasyonu mekanizması sırasında oluşan kısa ömürlü sanal parçacıklar verilebilir.

Hazırlayan: Berkan Alptekin

Okumaya devam et

Kozmik Anafor Arşivi

Fantastik Uzay Projeleri: Yıldız Motoru

• İçerik Üreticisi:

Bu yazıyı yaklaşık 8 dakikada okuyabilirsiniz.

Görünen o ki insanlık Ay’dan sonra Mars’ı da gözüne kestirdi. Önümüzdeki 10 yıllık süreç, bu konuda çok ciddi gelişmeler gösterecek gibi duruyor. Tabii Mars ile de kalınmayacak, eğer kendi türümüzü yok etmezsek, 21. Yüzyıl sona ermeden Güneş Sistemi’nin pek çok noktası muhtemelen insan oğlunun ulaştığı yerler haline gelecek. Peki ya bunun da sonrası? Bir yıldız motoru yapıp yıldızımızla birlikte yolculuğa çıkmak mı?

Başka yıldızlara gitmeye çalışacak uzak gelecekteki torunlarımız. Ama bu huzur dolu yuvamızı, biricik Güneş’imizi terk etmek istemezsek ne olacak? Başımızı alıp gitmektense, Güneş’imizi de yanımızda götürsek, olmaz mı? Hmm… Bunun da bir yolu var, tek ihtiyacımız ise bir Yıldız Motoru. Kemerlerinizi bağlayın, Güneş Sistemi’ni devasa bir uzay mekiğine dönüştürüyoruz.

İlk bakışta ütopik gibi gelmiş olabilir. Ancak unutmayın; “Fantastik Uzay Projeleri” yazı serisindeyiz. Hem hatırlatmak isteriz ki önceki yazılarımızda “Gök Kancaları” yapıp, Dünya’mızın yörüngesine yerleştirmiştik. Bununla kalmadık, başka gezegenlere, onların uydularına ve hatta gök taşlarına bile gök kancaları kurarak Güneş Sistemi’nin dört köşesini su yolu yaptık. Ender bulunan madenleri ve füzyon için gerekli elementleri Dünya’mıza getirip, füzyona hükmederek enerji sorunumuzu büyük oranda çözdük.

Füzyon da kesmedi, Güneş’in ürettiği her 1 kalori enerjiyi kontrol altına almaya karar verdik. Merkür’ü feda edip bir Dyson küresi yaptık. Bu sayede Kardashev ölçeğinde 2. seviye medeniyet seviyesine yükseldik.

Teknolojide ulaştığımız bu noktayla, hedeflerimizi çok daha ileriye taşıyabileceğiz. Güneş Sistemi artık bizden sorulduğuna göre yeni hedef Güneş Sistemi’nin dışı olmalı. Ancak, uzay boşluğu; karanlık, soğuk ve sıkıcı… Üstelik yakınlarda da ilgi çekici pek fazla şey yok. Örnek verecek olursak, bize en yakın yıldızları içeren Alfa Centauri yıldız sistemi Güneş Sistemi’mizden 4.3 ışık yılı mesafede.

Yani ışık hızıyla gitsek, ulaşmamız 4.3 yıl sürecek. Işık hızının yaklaşık %0.1’i ile yolculuk etsek, 4300 yıllık bir yolculuktan bahsediyoruz. Kaldı ki, şu ana kadar insan yapımı bir aracın ulaşacağı en yüksek hız olarak, Nasa’nın Parker Güneş Sondası’nın 193km/sn’lik hızı öngörülüyor ki bu da ışık hızının sadece %0.064’üne tekabül ediyor. Elbette Dyson küresi teknolojisine ulaşmış bir medeniyet için çok daha hızlı yolculuklar öngörmek yanlış olmasa da uzay boşluğundaki mesafelerin büyüklüğünü de göz ardı etmemek gerekir. Üstelik hedef noktamıza vardığımızda bulacaklarımızın da bu çileli yolculuğa değer olması gerekir.

 

Bu bağlamda bir yıldız motoruna sahip olmak beraberinde çok farklı avantajlar getirebilir. Yıldız motoru, Güneş’i (ya da genel manada bir yıldızı) mevcut yörüngesinden oynatmak ve farklı yönlere doğru hareket ettirmek için tasarlanmış, olası farklı varyasyonları bilimsel olarak kanıtlanmış, hipotetik mega yapıya verilen addır. Güneş’i yerinden oynatacağız deyince tabii, “Eee, Dünya’dakiler ne yapacak? Dünya Güneş’siz mi kalacak?” endişesine kapılabilir insan. Telaşa hiç gerek yok. Dünya ve Güneş Sistemi’nin diğer tüm üyeleri kütle çekim kuvveti ile Güneş’e sabitlenmiştir. Güneş nereye, herkes oraya.

İşte yıldız motorunu güzel kılan en temel özellik de bu diyebiliriz. Yazımızın başında “Güneş Sistemi’ni devasa bir uzay mekiğine dönüştürüyoruz” derken kast ettiğimiz buydu. Hayata geçirilen bir yıldız motoru ile kolonize edilmiş halde Güneş Sistemi’ni toptan hareket ettirebiliriz.

Peki bunu neden yapmak istiyoruz?

  • Samanyolu Gökadası’nda bulunan diğer sistemleri kolonize etmek için, onlara doğru tüm Güneş Sistemi olarak gitmek isteyebiliriz. Yeteri kadar yaklaştığımızda görev araçları gönderip, ihtiyacımız olan kaynakları elde edebiliriz. Ya da yakınlarında bir yere park edip, sürekli yeni komşumuzdan faydalanabiliriz.
  • Dünya’mızı hatta Güneş Sistemi’ni topyekûn yok edecek bir süpernova patlamasının etkilerinden kaçmak zorunda kalabiliriz. Tip 2 seviyesine ulaşmış bir medeniyet, çevresindeki pek çok yıldızın yapısını ve ne kadar ömrünün kaldığını çok detaylı şekilde hesaplayabilmiş olacaktır. Bu da onlara olası süpernova patlamalarını milyonlarca yıl önceden tespit etme kabiliyeti verecektir. Bu medeniyet, kendisini tehdit edecek bir patlamayı ön görmüş ve ondan kaçma mücadelesine girmek zorunda kalabilir.

(Burada bir ayrıntıyı belirtelim, böyle bir olayı gözlemleyerek önceden bilemeyiz. Süpernova patlaması yaşamış bir yıldızı tespit ettiğimizde, o yıldız aslında çoktan patlamış ve ışığı bize ancak ulaşmıştır. O nedenle, önlem alabilmek için yıldızın formasyonunu çok iyi bilip, ne kadar ömrü kaldığını hesaplamak gerekecektir. Bugün, Dünya’mıza zarar vereceği düşünülen süpernova adayı yıldız yoktur.

Betelgeuse isimli büyük kütleli yıldızın her an patlayacağı düşünülse de çok uzak olması nedeniyle, gökyüzünde haftalar sürecek bir ışık şöleninden öteye gitmeyecektir. Bu olay, siz bu satırlar okurken de gerçekleşebilir, milyonlarca yıl sonra da. Dünya’yı tehlikeye atabilecek süpernova patlamalarının 15 milyon yılda bir gerçekleştiği düşünülmektedir.)

  • Bir başka yıldızın yakınlarına sokulmak ve Dünya’mızı onun yörüngesine sokarak Güneş Sistemi’ni terk etmek.

Shkadov İticisi

Aynı Dyson küresinde olduğu gibi, 1937 yılında Olaf Stapledon tarafından yazılan Star Maker romanında yıldız motoru konusu da işlenmiştir. Ancak bilimsel literatüre girmesi, ilk olarak Leonid Mikhailovich Shkadov tarafından 1987 yılında tanıttığı makalesi ile olmuştur. Shkadov, Güneş’in etrafına kurulacak devasa ama çok ince bir ayna tasarlamıştır.

Aslında, Shkadov Thruster (Shkadov İticisi/Roketi) olarak adlandırılan bu yapı, Dyson küresi ebatlarında bir roket motoru olarak düşünülebilir. Prensipte bir roket gibi çalışan motorumuz, birbirlerine ters vektörler olan Güneş’in kütle çekim kuvveti ve radyasyon basıncı sayesinde sabit konumda kalacak, Güneş’ten gelen ışığı, yani fotonları yansıtarak itki kuvveti oluşturacak ve hareket sağlayabilecektir. Ancak Shkadov İticisi’nin bazı dezavantajları vardır:

  • Bu yöntem ile elde edilecek hız muhtemelen tatmin edici olmayacaktır. Galaktik ölçekte kayda değer mesafeler almak yüz milyonlarca yıl sürebilir.
  • Shkadov İticisini, yani aynamızı; gezegenleri ve tabii Dünya’mızı yakma riskini karşı sadece Güneş’in kutuplarının üzerine koyabiliriz. Bu da istediğimiz her yöne gidemeyeceğimiz anlamına gelir.

Kedi olmadan fare yakalama meraklısı insanlık, madem Shkadov İticisi ciddi dezavantajlar barındırıyor, öyleyse daha iyisini tasarlayalım demiş ve de Illinois Üniversitesi’nden Fizik profesörü Matthew Caplan yeni bir tasarım yapmıştır. Shkadov İticisi gibi yıldız motorlarına “Pasif iticiler” tanımlaması yapan Caplan, bir yıldız motoru inşa edecek olan medeniyetin Dyson küresi sahibi olduğu varsayımından hareketle, bu Dyson küresi yardımıyla, termonükleer enerji kullanan ve “Aktif itici” olarak tanımladığı yeni bir yıldız motorunu ortaya çıkarmıştır. En azından kâğıt üzerinde.

Görsel Telif: Getty/Cokada

Caplan İticisi

Caplan iticisinin/roketinin, gerekli kuvveti elde edebilmesi için ihtiyaç duyulan yakıt, Dyson küresinin Güneş üzerinde küçük bir noktaya odaklanması ile oluyor. Aşırı derecede ısınan bölgeden Güneş için küçük ama bizim için büyük kütleler kopması bekleniyor. Bu malzeme, aktif iticimizce yakalanıp, motor üzerinde bulunan füzyon reaktörlerinde enerjiye çevriliyor ve aşırı yüksek ısıdaki nükleer atık, motorumuzun Güneş’e uzak ucundan dışarı atılarak çok büyük bir itki kuvveti elde ediliyor.

Elbette, motorun Güneş’e saplanmaması ve Güneş’i itebilmesi için de motorun Güneş’e bakan ucundan yine motor üzerinde bulunan parçacık hızlandırıcılarda hızlandırılmış hidrojen Güneş’e doğru ateşleniyor. Böylece, Caplan iticisi hem kendini dengelemiş hem de elde ettiği itkiyi Güneş’e yönlendirmiş oluyor.

Caplan, yaptığı çalışmada, iticinin gücünü maksimuma çıkardığımızda, Güneş’in, yıldız motoruna 100 milyon yıl yetecek kadar enerji vereceğini gösteriyor. Ancak, aktif itki yöntemi ile varılacak hızlar sayesinde, bunun çok daha altında bir zaman diliminde yukarıda belirttiğimiz amaçlarımıza ulaşabiliriz.

Güneş’in kütlesini yakıt olarak milyonlarca yıl boyunca harcadığımızda, Güneş’in ömrünü kısalttığımız düşünülmemelidir. Bilakis, bir yıldızın ömrü kütlesi ile ters orantılıdır. Güneş, kütlesinden kaybettikçe, kendi yakıtını daha yavaş harcayacak ve ömrünün kısalması şurada dursun, bilakis uzayacaktır.

Elimizde, böyle bir yıldız motorunun var olduğunu düşünsenize… Kim bilir, belki Samanyolu’ndan sıkılır ve “neden başka gökadaları da kontrol altına almayalım ki?” bile diyebiliriz.

Bekle Andromeda, biz geliyoruz!

Hazırlayan: Uğur Çontu
Düzenleyen: Kemal Cihat Toprakçı

Kaynaklar ve Referanslar: 

1. Mosher, D. (2018, Kasım 05). NASA just smashed the record for the fastest human-made object – Its $1.5 billion solar probe is flying past the Sun at up to 213,200 mph. Erişim Tarihi: Şubat 24, 2021, Erişim Adresi: https://www.businessinsider.com/nasa-parker-solar-probe-fastest-human-object-2018-11

2. Hadhazy, A. (2018, Şubat 15). How to move an entire solar system. Erişim Tarihi: Şubat 24, 2021, Erişim Adresi: https://www.popularmechanics.com/space/deep-space/a10885/the-shkadov-thruster-or-how-to-move-an-entire-solar-system-17000392/

3. Badescu, V., & Catchcart, R. B. STELLAR ENGINES AND THE CONTROLLED MOVEMENT OF THE SUN. Erişim Adresi: https://www.dynamical-systems.org/zwicky/stellarengines.pdf

4. Caplana, M. E. Stellar Engines: Design Considerations for Maximizing Acceleration. Erişim Tarihi: Şubat 24, 2021, Erişim Adresi: https://drive.google.com/file/d/1ZpjAWcPhbCMTFYqPI5HnqtlHGWqzL45S/view

Okumaya devam et

Çok Okunanlar