Uydular için yeni dönem! Bu motor yakıt olarak atmosferdeki gazları kullanıyor

Stuttgart Üniversitesi'nde yürütülen bir doktora çalışması, uyduların çok düşük Dünya yörüngesinde (VLEO) havadan yakıt alarak çalışmasını sağlayan yeni bir plazma motorunun geliştirilmesiyle sonuçlandı. Üniversitenin genç araştırmacılarından Francesco Romano'nun arXiv'de yayımlanan tezinde, geleneksel pahalı yakıtlar yerine atmosferdeki hava moleküllerinin kullanılması hedeflendi. Bu yenilikçi yaklaşım, uyduların 100 ila 450 kilometre arasındaki yörüngelerde daha uzun süre kalmasına olanak tanıyor. Romano'nun geliştirdiği plazma motoru, uzayda sürtünmeye neden olan hava moleküllerini doğrudan yakıt olarak kullanarak, uyduların sürekli motor çalıştırma ihtiyacına ekonomik ve sürdürülebilir bir çözüm getiriyor.

Francesco Romano: 'Plazma motoru ile yakıt sorunu aşılacak'

Francesco Romano'nun geliştirdiği plazma motoru, atmosfer soluyan elektrikli itici sistemler (ABEP) kategorisinde yer alıyor. Bu sistemler, uzay aracının ön kısmında ince havayı topluyor ve elektrikli bir motora yönlendiriyor. Motor, topladığı hava moleküllerini plazmaya dönüştürüp arka taraftan fırlatarak itiş gücü sağlıyor. Özellikle VLEO'da, sürtünmeye neden olan hava molekülleri hem bir sorun hem de fırsat yaratıyor. Romano'nun çözümü, bu molekülleri yakıt olarak kullanarak, uyduların pahalı gazlara olan ihtiyacını ortadan kaldırıyor. Plazma motorunun geliştirilmesinde karşılaşılan en büyük engellerden biri, üst atmosferde bolca bulunan ve aşındırıcı özelliğiyle bilinen atomik oksijen (AO) oldu. AO, metal elektrotları, ivme ızgaralarını ve standart iyon motorlarında kullanılan katotları hızla aşındırıyor. Ayrıca AO, uzay aracını nötralize eden "elektron tabancası" katotlarını da tahrip ediyor. Bu durum, iyon itici sistemlerinin işlevsiz hale gelmesine yol açıyor. Romano, bu sorunu temas gerektirmeyen, nötralizörsüz ve radyo frekansı (RF) helikon plazma iticisi geliştirerek çözdü. Böylece, AO'nun neden olduğu aşınma ve arızaların önüne geçildi. Ayrıca, VLEO'nun değişken atmosfer koşullarına karşı dayanıklı bir sistem tasarlandı. Gün-gece döngüsü, enlem değişiklikleri ve güneş aktivitesi gibi faktörler, motorun her koşulda güvenle çalışmasını gerektiriyor. Romano'nun sistemi, bu zorlu koşullarda dahi istikrarlı performans sergiliyor.

Speküler alma sistemiyle yüzde 94,3 verimlilik

Plazma motorunun başarısında en kritik adımlardan biri, atmosferden hava toplama sisteminin verimliliği oldu. Romano, üç farklı hava alma tasarımını test etti. Bunlardan ilki, "geliştirilmiş huni" adı verilen ve moleküler bir tuzak görevi gören bir yapıydı. İkincisi, titanyum alaşımdan üretilmiş kompakt altıgen bir "dağıtılmış alma" sistemi olarak öne çıktı. Ancak en başarılı sonuç, grafit veya silisyum dioksit ile kaplanmış parabolik bir ayna şeklindeki "speküler alma" tasarımından elde edildi. Bu sistem, rüzgar tüneli testlerinde hava parçacıklarının yüzde 94,3'ünü toplamayı başardı. Ayrıca, 15 derece eğime maruz kaldığında bile verimlilikte sadece yüzde 8'lik bir azalma görüldü. Bu yüksek verimlilik, plazma motorunun gerçek uzay koşullarında da etkin şekilde çalışabileceğini gösteriyor. Romano, itici tasarımında ise tıbbi cihazlardan ilham aldı. Manyetik rezonans görüntüleme (MR) cihazlarında kullanılan kuş kafesi anteniyle, elektrik gücünün yüzde 99'unu motora iletmeyi başardı. Bu, standart bobinli sistemlere kıyasla çok daha düşük güç kaybı anlamına geliyor. Motorun çevresine sarılan solenoid, plazmayı arka taraftan iten bir manyetik alan oluşturuyor. Hem pozitif hem de negatif iyonlar iticiden dışarı atıldığı için nötralizöre ihtiyaç kalmıyor. Bu özellik, plazma motorunu hem dayanıklı hem de uzun ömürlü kılıyor.

VLEO ve Mars için sürdürülebilir plazma motoru çözümü

Romano'nun geliştirdiği plazma motoru, laboratuvar ortamında güvenilirliğini kanıtladı. Sistem, VLEO atmosferinde karşılaşılacak başlıca üç gazın konsantrasyonunu simüle eden bir vakum odasında test edildi. Motor, yalnızca 50-60 W RF gücüyle sürekli plazma akışı üretti. Bu değer, geleneksel uzay aracı güneş panellerinin kapasitesinin oldukça altında. Romano, sistemin performansını gerçek kullanım senaryolarına da uyguladı. Özellikle, daha önce ksenon iyon iticisiyle VLEO'ya fırlatılan ve yakıtı bittiği için görevini sonlandıran GOCE uydusu üzerinde modelleme yaptı. Hesaplamalar, yeni plazma motorunun 190 ila 250 kilometre yükseklikte, 1,6 kW'dan daha az güçle süresiz çalışabileceğini gösteriyor. Bu, mevcut uzay araçlarının enerji üretim sınırlarının çok altında bir değer. Ayrıca, Romano'nun tezinde Mars atmosferi için de önemli bir senaryoya yer verildi. Mars'ın CO2 açısından zengin atmosferinde, plazma motoru 120 ila 160 kilometre arasında bir uzay aracını sürekli destekleyebiliyor. Bu, Kızıl Gezegen'in yörüngesinde mevcut uydulara kıyasla çok daha yakın ve sürdürülebilir bir çözüm sunuyor. Plazma motorunun bu özelliği, gelecekte Mars görevlerinde de çığır açıcı bir rol üstlenebilir.