Duman dedektöründeki element, uzay araçlarında devrim yapabilir

Metin Akpınar

Teknoloji Editörü

Duman dedektöründeki element, uzay araçlarında devrim yapabilir

İnsan yapımı olarak uzayın en uzak noktalarına ulaşan görevlerin arkasında yıllardır sessizce çalışan küçük ama kritik bir teknoloji olan radyoizotop termoelektrik jeneratörleri (RTG) bulunuyor. Bu güç kaynakları 1977’de fırlatılan Voyager 1 ve Voyager 2 gibi araçların halen Dünya’ya sinyal gönderebilmesini sağlıyor. O dönem kullanılan plütonyum-238, neredeyse yarım asır boyunca uzay araçlarına kesintisiz enerji vermeye devam ediyor. Ancak üretilen enerji artık son demlerini yaşıyor. Bu da 48 yıllık uzay araçlarının ve doğal olarak insanlığın en uzak simgelerinin sessizliğe gömüleceği anlamına geliyor. Uzay araçlarının 2036 yılına kadar bizimle haberleşmeye yetecek kadar enerji üretebilecekleri öngörülüyor. Ancak bilim insanları çok daha uzun ömürlü bir yakıt üzerinde çalışıyor: Amerikyum. Bu yakıt, misyonlara on yıllar değil, yüzyıllar boyunca güç sağlayabilir.

Geleceğin derin uzay görevlerini şekillendirmesi beklenen amerikyum, yalnızca uzun ömür vaadiyle değil, aynı zamanda stratejik bağımsızlık sağlamasıyla da öne çıkıyor. Plütonyum-238’in üretimi sınırlı ve pahalı. Üstelik ABD dışında kaynağa erişmek zor. Buna karşılık amerikyum-241, nükleer atık içerisinde doğal olarak biriken bir izotop. Dolayısıyla bu, derin ve uzun ömürlü uzay görevleri için kaynak bulmayı kolaylaştırıyor. Özellikle Birleşik Krallık’taki sivil nükleer atık stoklarında yüklü miktarda amerikyum-241 bulunması bu yakıtı Avrupa için stratejik bir fırsata dönüştürüyor.

Nükleer enerji vazgeçilmez bir seçenek

Nükleer enerji, Güneş Sistemi dışındaki görevler için şimdilik vazgeçilmez bir seçenek. Bilindiği üzere Güneş Sistemi’nde ağırlıklı olarak uzay araçlarında enerji için güneş panelleri kullanılıyor. Jüpiter ötesi bölgelerde ise RTG’ler vazgeçilmez. Bunun ana nedeni bu uzaklıktan sonra Güneş ışığından yararlanmanın zor olması. İmkansız değil elbette ama lojistik olarak imkansıza yakın. Örneğin Voyager araçları güneş panelleri kullansaydı her biri bir futbol sahasından büyük devasa panellere ihtiyaç duyacaktı. RTG’ler ise bir çöp kutusu büyüklüğüne sahip. Bu jeneratörler, radyoaktif yakıtın ürettiği ısıyı elektrik akımına çeviren Termokupllar sayesinde çalışıyor. Hiçbir hareketli parça bulunmadığı için arıza riski yok denecek kadar az.

Öte yandan Plütonyum sadece Voyager’da kullanılmadı. Apollo misyonları sırasında Ay'da bırakılan uydular ve araçlarda da kullanıldılar. Daha sonrasında RTG’ler Jüpiter, Satürn, Plüton’a giden araçlarda da yer aldı. Örneğin 2004'ten 2017'ye kadar Satürn'ün yörüngesinde dönen Cassini’de 33 kilogram plütonyum-238 kullanıldı. Ancak plütonyum için çok kritik bir problem var. Ve bunu çözmek çok zor. Zira Plütonyum-238 doğal olarak bulunmaz. Nükleer reaktörlerde üretilmesi gerekir.

Soğuk Savaş döneminde üretilen stoklar tükendi, ABD’nin yeni üretime geçmesi ise uzun yıllar aldı. NASA’nın her bir derin uzay görevi için kilolarca plütonyum gerektiğinden mevcut üretim uzun vadede sürdürülebilir değil. 2012'de Curiosity'nin RTG'si, son büyük rezervlerin önemli bir kısmını aldı. Sürdürülebilirlik sorunu ise yıllık üretimin birkaç yüz gram ile sınırlı olmasından. Derin uzay görevleri için kilolarca gerektiği düşünüldüğünde bu yakıta sırt dayamanın artık mantıklı olmadığı görülecektir.

Bu, yıldızlararası boşluğa doğru süzülen, yüzyıllar boyunca çalışmasını sürdüren yeni nesil araçlar anlamına geliyor. Ayrıca üretim için yeni reaktör gerekmemesi maliyetleri düşürürken çevresel açıdan da büyük bir avantaj sunuyor. Zira amerikyum-241, nükleer atıkların içinde doğal olarak oluşur, yani zamanla birikiyor. Dolayısıyla Dünya’da oldukça yüksek miktarda amerikyum-241 bulmak mümkün.

Her şey mükemmel değil

Plütonyum-238, yüksek güç gerektiren görevlerde halen tartışmasız şekilde en verimli yakıt olarak kabul ediliyor. Gram başına yaklaşık 0,5 watt ısı üreten bu izotop, kimyasal olarak da son derece kararlı. Buna karşılık amerikyum-241, aynı kütlede yalnızca 0,1 watt civarında ısı sağlayabiliyor. Bu fark nedeniyle amerikyum temelli bir RTG’nin, plütonyumla eşdeğer güç üretmesi için daha ağır ve hacimli olması gerekiyor. Uzay görevlerinde her gramın kritik olduğu düşünüldüğünde bu ciddi bir dezavantaj. Ancak amerikyumun düşük güç üretimi, uzun ömürlü ve düşük enerji ihtiyacı olan görevler için ideal bir avantaj sunuyor.

Plütonyum güçlü ve kompakt sistemlerin yakıtı olmaya devam ederken amerikyum daha düşük sıcaklıkta çalışan, yüzyıllar boyunca dayanacak küçük ölçekli araçlara uygun bir seçenek olarak öne çıkıyor.

İlk uzay araçları çok uzakta değil

Avrupa, amerikyum tabanlı güç sistemleri üzerinde şimdiden somut çalışmalar yürütüyor. Leicester Üniversitesi, ESA ve Birleşik Krallık Uzay Ajansı ile birlikte on yılı aşkın süredir hem tam ölçekli RTG’ler hem de donanımı aşırı soğuk ortamlarda koruyacak küçük ısıtıcı birimleri geliştiriyor. Bu teknoloji, buzlu uyduların iç yapısını inceleyen uzun soluklu sondalardan yıldızlararası boşluğa doğru yüzyıllarca sürüklenen cihazlara kadar pek çok düşük güçlü görevde kullanılabilir.

Amerikyumun düşük güç yoğunluğu daha verimli dönüşüm teknolojilerinin önemini artırıyor. Bu noktada bilim insanları uzun süredir bilinen ancak uzay görevlerinde yeni bir kapı açabilecek Stirling motoru üzerinde yoğunlaşıyor. Geleneksel RTG’lerde kullanılan termoelektrikler yalnızca yüzde 5 civarında verim sunarken Stirling dönüştürücüler yüzde 25’in üzerinde elektrik üretim verimliliğine ulaşabiliyor. Bu da aynı miktarda yakıttan çok daha fazla enerji elde edilebileceği anlamına geliyor. er ne kadar hareketli parçaların varlığı güvenilirlik endişeleri yaratsa da amerikyumun istikrarlı ısı çıkışı birden fazla Stirling biriminin paralel çalıştığı, arıza riskini dağıtan sistemlerin önünü açıyor.

Amerikyum temelli RTG’ler henüz uzayda denenmiş olmasa da laboratuvar testleri umut veriyor. Bu teknoloji olgunlaştıkça derin uzay keşfi yalnızca birkaç ülkenin tekelinden çıkabilir. Plütonyum yüksek güç için, amerikyum ise uzun soluklu keşifler için aynı ekosistemin iki tamamlayıcı parçası haline gelebilir. İlginç bir ironi ise laboratuvarlarda geliştirilen bu uzun ömürlü uzay yakıtının aslında günlük yaşamda da karşımıza çıkması. Zira iyonize duman dedektörlerinde kullanılan küçük radyoaktif kaynak da amerikyum-241’in ta kendisi.