Uzay araçlarının ısı kalkanı yanarken içi ilk kez canlı izlendi

Bir uzay aracının atmosfere girişi, görevin en tehlikeli anlarından biri. Araç saatte on binlerce kilometre hızla havaya dalarken yüzeyindeki sıcaklık 1.650 santigrat dereceyi aşabiliyor ve mürettebatı koruyan tek şey ısı kalkanı oluyor. Mühendisler bu kalkanları on yıllardır kullanıyor; ancak malzemenin yanma sırasında içinde neler olduğunu görmek bugüne kadar mümkün değildi. Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı (Berkeley Lab) ile NASA'nın ortak çalışması bu durumu değiştirdi: Isı kalkanı malzemelerinin parçalanışı ilk kez gerçek zamanlı ve üç boyutlu olarak izlendi.

Ablasyon: Kendini feda eden kalkan

Uzay araçlarının çoğu "ablatif" ısı kalkanları kullanıyor. Bu kalkanlar ısıyı yalnızca engellemiyor; kontrollü biçimde kömürleşip aşınarak enerjinin bir kısmını kendi kütlesiyle birlikte uzaklaştırıyor. Malzemenin içindeki reçine bozunurken çıkan gazlar da yüzeyde koruyucu bir tabaka oluşturuyor. Bu yaklaşım Mercury kapsüllerinden günümüzde Artemis görevlerinde kullanılan Orion kapsülüne kadar standart haline geldi.

Ancak ablasyonu önceden doğru tahmin etmek çok zor. Bunun en çarpıcı örneği Artemis I görevinde yaşandı. Kasım 2022'de fırlatılan insansız Orion kapsülü, 11 Aralık 2022'de yaklaşık 40.000 km/sa hızla atmosfere girip Pasifik'e sorunsuz indi. Ancak inceleme, kalkanın AVCOAT malzemesinden beklenmedik parçaların koptuğunu ortaya koydu. NASA'nın iki yıl süren soruşturması Aralık 2024'te sonuçlandı: Kalkanın içinde sıkışan gazlar ısınıp genleşerek malzemeden parçalar koparmıştı. Görev öncesi yapılan benzetimler bunu öngörememişti.

Fırın, X-ışını ve 3 boyutlu film

Sorunun kökü, mühendislerin elinde genellikle yalnızca malzemenin "önce" ve "sonra" görüntülerinin bulunması. Aradaki süreç kara bir kutu. Bu kutuyu açmak için araştırmacılar, Berkeley Lab'deki Gelişmiş Işık Kaynağı'na (ALS) başvurdu. 1993'ten beri çalışan ALS, elektronları neredeyse ışık hızına hızlandırarak son derece parlak X-ışınları üreten bir sinkrotron tesisi ve yaklaşık 40 ışın hattında aynı anda deney yapılabiliyor.

Ekip, numuneleri 900 santigrat dereceye, yani ısı kalkanı malzemelerinin bozunma aralığının üst sınırına kadar ısıtabilen özel bir hazne tasarladı. Haznedeki basınç ve gaz bileşimi atmosfere giriş koşullarını kısmen taklit edecek şekilde ayarlanabiliyor; ancak gerçek bir girişteki yüksek hızlı hava akışı bu düzenekte yok. Numuneler ısınırken X-ışını mikro bilgisayarlı tomografi ile taranarak malzemenin iç yapısının üç boyutlu görüntüleri anlık olarak elde edildi.

Mantar ile silikonun farklı kaderi

Çalışmanın yürütücülerinden, Illinois Üniversitesi Urbana-Champaign'deki doktora sonrası çalışmalarının ardından NASA Johnson Uzay Merkezi'ne geçen Vishnu Oruganti, NASA'nın önemli ablatif malzemelerinin büyük bölümünün bu yöntemle incelendiğini belirtiyor. Öne çıkan iki örnek, uzay araçlarının arka kabuklarında kullanılan "süper hafif ablatör" ailesinden.

Dolgu malzemesi olarak öğütülmüş mantar içeren SLA-561V'de, ısınan mantar parçacıkları hızla buharlaşarak malzemenin içinde birbirinden kopuk boşluklar bıraktı. Silikon esaslı SLA-220 ise birbirine bağlı, dallanan mikro kanallar oluşturdu; bu kanallar sıcak gazların kalkanın içinden hızla dışarı atılmasını sağladı. Artemis I'de sorun tam da sıkışan gazlardan kaynaklandığı düşünüldüğünde, gazların malzeme içinde nasıl hareket ettiğini görmek büyük önem taşıyor.

Yapay zekâ ile hız ve keskinlik

Ekip bir de görüntüleme ikilemiyle karşılaştı: Yüksek çözünürlüklü taramalar uzun sürüyor ve hızlı değişimleri kaçırıyor; hızlı taramalar ise ayrıntıyı kaybediyor. Çözüm, üretken çekişmeli ağ (GAN) adı verilen bir yapay zekâ yöntemi oldu. Algoritma, deney öncesi ve sonrası alınan yüksek çözünürlüklü görüntülerle eğitildi ve deney sırasında hızla çekilen orta çözünürlüklü taramaları keskinleştirdi. Böylece malzemenin kıvrılması, kömürleşmesi ve oyulması hem hızlı hem ayrıntılı biçimde izlenebildi.

Neden önemli?

Bu tür veriler, ısı kalkanı davranışını hesaplayan bilgisayar modellerinin gerçeğe daha yakın hale getirilmesini sağlayabilir. Bu da Ay'dan dönecek insanlı Artemis görevleri ve gelecekteki Mars inişleri için daha güvenilir kalkanlar demek. Araştırma NASA'nın Uzay Teknolojisi Araştırma Enstitüleri programınca desteklendi.

Sırada ne var?

Mühendislerin kullandığı modeller henüz bu verilerle güncellenmedi. SpaceX'in Dragon kapsülünde kullandığı PICA-X ya da Starship'in seramik karoları gibi ticari malzemeler de çalışmaya dahil değil. ALS'nin süren ALS-U yükseltmesi ise tesisin X-ışınlarını en az 100 kat parlak hale getirerek ileride çok daha hızlı ve ayrıntılı görüntülemeye olanak tanıyacak.

Kısaca

• Isı kalkanı malzemeleri 900 °C'de ısıtılırken X-ışını tomografisiyle anlık olarak görüntülendi.
• Mantar dolgulu SLA-561V boşluklar, silikon esaslı SLA-220 gaz kanalları oluşturdu.
• Yapay zekâ, hızlı taramaları yüksek çözünürlüklü 3 boyutlu kayıtlara dönüştürdü.
• Veriler, Artemis I'deki beklenmedik kalkan hasarı gibi sorunları önlemeye yardım edebilir.