Uzayın Keşfi Enerji Gerektirir
NASA Jet İtki Laboratuvarı
Uzay araçları elektronik donanımlarını çalıştırmak, ısı kontrolü sağlamak, dünya ile iletişim kurmak, hareket etmek ve yön değiştirmek için elektrik enerjisine ihtiyaç duyar. Fırlatmanın hemen ardından uzay aracının ihtiyacı olan elektrik enerjisi bataryalarından ya da dâhili enerji kaynaklarından karşılanır. Uzay aracının enerji ihtiyacının az veya görev süresinin kısa olduğu durumlarda tek kullanımlık bataryalar tercih edilir. Tersi durumlarda ise uzay araçlarının kendi elektriğini üretmesi gerekir.
NASA Goddard Space Flight Center/ASU
Apollo 15, Apollo 16 ve Apollo 17 görevlerinde Ay’a ayak basan astronotlar yanlarında Ay’ın yüzeyinde hareket edebilecek tek kullanımlık bataryalara sahip keşif araçları götürmüşlerdi. Fotoğrafın sağ alt köşesinde Apollo 17 görevinde kullanılan Ay aracı (LRV) ve Ay yüzeyinde bıraktığı izler görülüyor.
Bu amaçla çeşitli yöntemler kullanılabilir. Bu yöntemlerden yakıt pilleri ve radyoizotop termoelektrik jeneratörlerde (RTG) uzay aracının taşıdığı enerji kaynakları (dâhili enerji kaynakları olarak isimlendirilir) kullanılarak elektrik üretilirken, fotovoltaik güneş paneli sistemlerinde haricî bir enerji kaynağı olan Güneş’ten faydalanılır. Dâhili enerji kaynaklarının kullanıldığı sistemlerde kesintisiz ve kararlı bir şekilde elektrik üretilebilir. Güneş panellerinin kullanıldığı sistemlerde ise elektrik üretme kapasitesi uzay aracının Güneş görme süresine ve yönüne bağlı olarak değişir. Örneğin Dünya’ya yakın yörüngede dolanan uydular Dünya etrafındaki bir turunu yaklaşık 90 dakikada tamamlar ve bu süreçte yaklaşık 60 dakika Güneş görürken 30 dakika Dünya’nın gölgesinde kalırlar.
Gezegenlerin ya da uyduların etrafında veya üzerinde görev yapan ve enerji ihtiyacını güneş panellerinden sağlayan uzay araçları Güneş gördükleri zamanlarda güneş panelleri ile ürettikleri elektriğin bir kısmını karanlıkta kalınan zamanlarda kullanılmak üzere bataryalarında depolar. Bu sebeple birçok uzay aracında güneş panelleri ile şarj edilebilir bataryalar beraber kullanılır.
Uzay aracının enerji ihtiyacını karşılamak amacıyla kullanılacak yöntem aracın tasarımına, görevin kapsamına ve uzay aracının çalışma ortamından kaynaklanan gereksinimlere ve kısıtlamalara göre belirlenir. Ayrıca uzaya gönderilecek her bir kilogramın yüksek bir maliyeti ve günümüzde kullanılan fırlatma sistemlerinin belli bir kapasitesi vardır. Bu faktörler uzay aracının enerji ihtiyacını karşılamak için kullanılacak sistemlerin seçiminde rol oynar. Eğer uzay araçlarının gereksinimlerini karşılayan ve karşı karşıya kalacağı zorlukların üstesinden gelmesini sağlayan teknoloji hâlihazırda bulunmuyorsa teknoloji geliştirilme süreci başlatılır.
Uzay çağının ilk üç uydusu Sovyetler Birliği tarafından 1957’de uzay gönderilen Sputnik 1 ve Sputnik 2 ile Amerika Birleşik Devletleri (ABD) tarafından 1958’de uzaya gönderilen Explorer 1’de sadece dâhili bataryalar kullanıldı. Explorer 1’in uzaya gönderilmesinin ardından aynı yıl ABD, Vanguard 1 uydusunda insansız uzay araçlarının haftalar seviyesinde olan çalışma süresinin güneş panelleri kullanılarak yıllara çıkarılabileceğini gösterdi.
Yukarıdaki çizimde Yuri Gagarin’i taşıyan Vostok 1 uzay aracı yörüngede dolanırken resmedilmiş. İlk insanlı uçuş 1961 yılında Vostok 1 uzay aracı ile Rus kozmonot Yuri Gagarin’in tarafından gerçekleştirildi. Yuri Gagarin, Dünya çevresindeki yörüngede gerçekleştirdiği 108 dakikalık turun ardından Dünya’ya sağlıklı olarak geri döndü.
Sovyetler Birliği’nin uzaya ilk giden ülke olma ve ilk insanlı uzay görevini gerçekleştirme başarılarının ardından 1961 yılında ABD Başkanı John F. Kennedy 10 seneden kısa bir süre içinde Ay’a ilk insanın ayak basması hedefini koyarak yeni bir yarış başlattı.
Ay’a ilk ayak basma yarışında galip gelebilmek için ihtiyaç duyulan birçok teknolojik gereksinim vardı. Bunların başında enerji ihtiyacının nasıl sağlanacağı yer alıyordu. ABD Ulusal Havacılık ve Uzay Dairesi (NASA) çok ağır olan ve çok yer kaplayan bataryalar (kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine dönüştüren sistemler) yerine yakıt hücrelerinin kullanılmasını gündemine aldı.
Yakıt Hücreleri
Uzay mekiklerinde kullanılan yakıt hücresi
1965 yılında ABD’nin Gemini 5 insanlı uzay aracında ilk kez yakıt hücreleri (hidrojen ve oksijenin kimyasal tepkimesi sonucu enerji elde edilen sistemler) kullanılarak iki astronotun sekiz gün boyunca uzayda görev yapabileceği gösterildi. 1969 yılında Ay’a ilk insanı taşıyan Apollo 11 uzay aracında da yakıt hücreleri kullanıldı. ABD, 1981-2011 yılları arasında gerçekleştirdiği uzay mekiği görevlerinde yakıt hücrelerini kullanmaya devam etti.
Yakıt hücrelerinde hidrojen ve oksijenin birleşmesi sonucu elektrik, ısı ve su ortaya çıkar. Üretilen elektrik cihazların çalıştırılmasında, oluşan ısı ortamın ısı dengesinin sağlanmasında ve elde edilen su da astronotlar tarafından kullanılmıştı. Ancak yakıt hücrelerinde kullanılan yakıtlar yenilenebilir enerji kaynakları olmadığından bu sistemlerin kullanıldığı uzay görevleri kısa ömürlüydü. Örneğin 12-15 kW güç üretebilen yakıt hücrelerine sahip uzay mekiklerinin görev süreleri birkaç hafta ile sınırlıydı.
Atlantis uzay mekiğinin fırlatılma anı
Ancak bu yöntem uzun süreli görevler için uygun değildir. Güneş panelleri ile yakıt hücrelerinin entegre edildiği teknolojilerin uzay ortamında kullanılmasına yönelik araştırmalar ise devam ediyor.
Radyoizotop Termoelektrik Jeneratörler
1950’lerin başında icat edilen radyoizotop termoelektrik jeneratörler (RTG) uzay araştırmalarının ilk dönemlerinden beri kullanılıyor. Radyoizotop termoelektrik jeneratör, plütonyum-238 izotopunun radyoaktif bozunması sırasında açıda çıkan ısıyı doğrudan elektrik enerjisine dönüştüren sistemlerdir. Görev süresi uzun, derin uzay görevlerinde de RTG teknolojisi kullanılır. Bu sebeple 1977’de fırlatılan ve 2012 yılında yıldızlararası ortama giren ilk insan yapımı cisim olan Voyager 1 uzay aracında da RTG kullanıldı.
Fotoğrafta Apollo 12 görevi kapsamında Ay’a giden astronot Alan Bean, radyoizotop termoelektrik jeneratörlerin (sağ ayağının yanında) yakıt bileşenini çıkarırken görülüyor.
Güneş Panelleri
Güneş panelleri uzay araçlarında enerji ihtiyacını karşılamak amacıyla en sık kullanılan sistemlerdendir. Güneş panelleri ilk kez 1958’de Vanguard 1 uydusunda kullanıldı. Güneş’ten gelen enerji miktarı Güneş’ten uzaklığın karesi ile ters orantılı olarak azalır. Bu nedenle Güneş’ten bir metrekareye gelen enerji Dünya etrafında 1367 W iken, Satürn etrafında 15 W’tır. Bu sebeple güneş panelleri Güneş’le Satürn arasındaki uzay görevlerinde tercih edilir. Uydularda kullanılan güneş enerjisi sistemleri ile ilgili detaylı yazıya buradan ulaşabilirsiniz.
