Uzay asansörü

Uzaya çıkmak bugün tek bir yöntemle yapılıyor: roket. Roketler çalışıyor, ama pahalı, gürültülü ve taşıdıkları yükün büyük bölümü yine kendi yakıtı. Uzay asansörü, bu denklemi tümüyle değiştirmeyi öneren bir fikir: Dünya'nın ekvatorundan uzaya uzanan bir kablo kurup, yükleri roket yerine bu kablo boyunca tırmanan araçlarla taşımak.

Fikir fiziksel olarak tutarlıdır; kimse "bu çalışmaz" demiyor. Tıkandığı yer tek bir noktada: kabloyu yapacak malzeme yok. Gereken dayanımı yalnızca karbon nanotüp ve grafen gibi malzemeler kuramsal olarak sağlıyor, ama onlardan on binlerce kilometrelik bir şerit üretmek bugün mümkün değil. Bu sayfa asansörün nasıl çalıştığını, hangi sayıların işe karıştığını, yüz yılı aşkın tarihçesini ve Ay ile Mars'ta neden bugünkü malzemelerle kurulabileceğini anlatıyor.

Nasıl ayakta durur

Uzay asansörünün sırrı, bir kuleye değil bir gerilmiş kabloya dayanmasıdır. Kablo aşağıdan yere sabitlenir, yukarıda ise sabit bir yörünge yüksekliğinin ötesine uzanır ve ucunda bir karşı ağırlık taşır.

Kritik yükseklik yer durağan yörüngedir: 35.786 kilometre. Bu yükseklikte bir cisim Dünya ile aynı hızda döndüğü için gökyüzünde sabit durur; kütleçekim ile dönmeden kaynaklanan merkezkaç etkisi tam olarak dengelenir. Bu yüksekliğin altında kütleçekim baskındır ve kabloyu aşağı çeker; üstünde merkezkaç etkisi baskındır ve kabloyu yukarı çeker.

Sistemin çalışması için kritik koşul şudur: yapının kütle merkezi, yer durağan yörüngenin yeterince üstünde olmalı. Ancak o zaman yukarı çeken kuvvet toplamda baskın gelir, kablo gergin kalır ve dikine durur. Karşı ağırlık olarak yakalanmış bir asteroit, yörüngedeki bir istasyon, kablonun kendisinin uzatılmış bölümü ya da yukarıda biriktirilen kullanılmış tırmanıcılar önerilmiştir.

Kablo boyunca çekme kuvveti her yerde aynı değildir: en yüksek değerine yer durağan yörünge hizasında ulaşır. Bu yüzden kablonun bu yüksekliğe doğru kalınlaşması gerekir. Kalınlık oranına konikleşme oranı denir ve malzeme seçiminin ne kadar kritik olduğunu en iyi gösteren sayı budur.

Yüz yirmi yıllık fikir

• 1895 — Konstantin Tsiolkovski: Yer ve Göğün Düşleri adlı kitabında "devasa bir gök merdiveni" tasarladı. Tsiolkovski'nin yapısı asılı bir kablo değil, aşağıdan yukarı basınç taşıyan bir kuleydi; yani bugünkü tasarımdan temelde farklıdır.
• 1960 — Yuri Artsutanov: Komsomolskaya Pravda gazetesinde yayımlanan "Kozmik Demiryolu" yazısıyla, yörüngeden ekvatora doğru sarkıtılan bir kablo fikrini bağımsız olarak geliştirdi. Bugünkü asansör kavramının gerçek başlangıcı budur.
• 1966 — John D. Isaacs ve arkadaşları: "Gök Kancası" (Sky-Hook) adıyla benzer bir öneri yayımladılar.
• 1975 — Jerome Pearson: Acta Astronautica dergisinde konikleşme oranını ilk kez ciddi biçimde hesapladı ve karşı ağırlığın 144.000 kilometreye kadar uzatılabileceğini gösterdi.
• 1979 — Arthur C. Clarke: Cennetin Çeşmeleri romanı fikri geniş kitlelere taşıdı.
• 2000 — Bradley Edwards: NASA'nın İleri Konseptler Enstitüsü (NIAC) desteğiyle yaptığı çalışmada, karbon nanotüpten dokunmuş şerit biçiminde ayrıntılı bir tasarım önerdi. Bugün tartışılan mühendislik planlarının çoğu bu çalışmaya dayanır.

Malzeme sorunu: tek gerçek engel

Bir kablonun kendi ağırlığını ne kadar taşıyabileceğini belirleyen büyüklük özgül mukavemettir: çekme dayanımının yoğunluğa bölünmesi. Birimi megapascal bölü kilogram/metreküp olarak yazılır. Dünya için bir uzay asansörü, bu değerin 30 ile 80 arasında olmasını gerektirir. Karşılaştırma acımasız:

• Çelik: 0,25
• Kevlar: 2,5
• Tek duvarlı karbon nanotüp: yaklaşık 100

Yani çelik gerekenin yüzde biri kadar bile değil. Bunun pratik sonucu konikleşme oranında görünür: çelikten bir kablo için gereken oran 1,6 × 1033'tür — fiziksel olarak anlamsız bir sayı, yani yapılamaz. Karbon nanotüp için aynı oran yaklaşık 1,6'ya düşer; yani kablo yukarıya doğru yalnızca yüzde altmış kadar kalınlaşır.

Bradley Edwards'ın tasarımı en az 100 gigapascal çekme dayanımına ve 1.300 kg/m³ yoğunluğa sahip bir malzeme varsayar; bu da 77 birim özgül mukavemete karşılık gelir. Aynı malzemenin konikleşmesiz, düz bir kablo olarak yer durağan yüksekliğe ulaşması için kendi ağırlığının 4.960 kilometresini taşıyabilmesi gerekir.

Verileri göster

Çelik	0.25
Kevlar	2.5
Gereken en az	30
Edwards tasarımı	77
Karbon nanotüp	100

Neden nanotüpler yetmiyor

Karbon nanotüplerin kuramsal çekme dayanımı 130 gigapascal düzeyine çıkar. Ama bu, kusursuz bir tüp için geçerli. Gerçek malzemelerde mikroskobik kristal kusurları dayanımı kuramsal değerin çok altına indirir; tek bir zayıf nokta, kilometrelerce kablonun kopması için yeterlidir. Google X ekibi 2014'te konuyu inceledi ve sonuç açıktı: o tarihe kadar hiç kimse bir metreden uzun, kusursuz oluşmuş tek bir karbon nanotüp lifi üretememişti. Ekip projeyi "derin dondurucuya" kaldırdı.

Umut veren iki malzeme daha var. Makroskobik boyutta tek kristal grafen, özgül mukavemet bakımından nanotüplerden de yukarıda görünüyor. İlk kez 2014'te sentezlenen elmas nanoiplikler ise nanotüplere benzer bir potansiyel taşıyor. İkisi de laboratuvar ölçeğinde.

Tırmanıcılar, enerji ve işletme

Asansör, adının çağrıştırdığı gibi hareketli bir kabloyla çalışmaz. Kablo sabittir; yükler, sürtünmeli makaralarla kabloyu kavrayıp tırmanan araçlarla taşınır. Bu araçlara tırmanıcı denir. Saatte 300 kilometre hızla yer durağan yüksekliğe çıkmak yaklaşık beş gün sürer.

Tırmanıcıya enerji vermek başlı başına bir problem: kablo boyunca akım taşımak kablonun kütlesini kabul edilemez ölçüde artırır. En uygulanabilir çözüm olarak lazerle enerji aktarımı öne çıkıyor: yerden megawatt sınıfı serbest elektron ya da katıhal lazerleriyle tırmanıcının üzerindeki fotovoltaik panellere ışık gönderilir.

İşletmede hesaplanması gereken başka etkiler de var:

• Coriolis kuvveti: Yukarı çıkan bir tırmanıcı kabloyu batıya doğru saptırır, açısal momentum kazanır ve Dünya'nın dönüşünü çok az yavaşlatır. Aşağı inen yükler kabloyu doğuya saptırıp etkiyi tersine çevirir.
• Salınımlar: Sistem ters çevrilmiş bir sarkaç gibi davranır. Çıkış ve iniş programının dikkatli düzenlenmesi, tehlikeli salınımları önlemek için zorunludur.
• Uzay çöpü: Kablo yüksekliğinin altında yerberisi olan her yörüngedeki cisim, zamanla kabloya çarpar. Edwards'ın çözümü, kablonun alt ucunu okyanusta hareket edebilen bir platforma bağlamak: izlenen cisimlerden kaçınmak için asansörü yana kaydırmak.
• Işıma: Beş günlük tırmanışın bir bölümü Van Allen kuşaklarının içinden geçer. İnsan taşımak için zırh gerekir, zırh ise kütle demektir.
• Mikrometeoroitler: Kablonun küçük çarpmaları yıkıcı sonuç doğurmadan emmesi ya da onlardan kaçınması gerekir.

Ekonomi: neden bu kadar ilgi çekiyor

Asansör fikrinin bütün cazibesi maliyette. 2022 rakamlarıyla yer durağan yörüngeye yük göndermek kilogram başına yaklaşık 12.125 ABD doları. Uzay asansörü için öne sürülen rakam ise kilogram başına 220 dolar — yani yaklaşık elli kat daha ucuz. Uluslararası Astronotik Akademisi'nin 2013'teki değerlendirmesi, yer durağan yörünge ve ötesine kilogram başına 500 dolar düzeyinde bir maliyet öngördü.

Edwards'ın kurulum planı kademeli: önce 19.800 kilogramlık bir "tohum" şerit yörüngeden sarkıtılır, sonra tırmanıcılar bu şeride yeni katmanlar ekleyerek onu kalınlaştırır. İlk 207 tırmanıştan sonra şerit 160 milimetre genişliğe ulaşır ve 20 tonluk yükleri taşıyabilir hâle gelir.

Bu rakamlar jeopolitik bir yorumu da beraberinde getirdi; bir değerlendirmede, "uzay asansörünü ilk kuran ülke yüzde 95 maliyet avantajına sahip olacak ve uzaydaki bütün etkinlikleri potansiyel olarak denetleyebilecek" denmişti.

Bir başka avantaj, kablonun farklı yüksekliklerinden bırakılan yüklerin farklı yörüngelere oturmasıdır: yaklaşık 23.400 kilometrede bırakılan yük çok basık bir yörüngeye girer; yer durağan hizada bırakılan yük dairesel yörüngede kalır; 100.000 kilometrenin ötesinde bırakılan yük ise kaçış hızını aşar ve asteroit kuşağına kadar gidebilir. Pearson'un 144.000 kilometrelik tasarımı, uçtaki teğetsel hızı 10,93 km/s'ye çıkarır — kütleçekim yardımı manevralarıyla Jüpiter görevlerine yetecek bir hız.

Ay ve Mars: bugünkü malzemelerle mümkün

Dünya'da imkânsız olan şey, kütleçekimi daha zayıf gök cisimlerinde bugün yapılabilir durumda.

Mars: Yüzey kütleçekimi Dünya'nın yüzde 38'i, durağan yörüngesi de çok daha yakın. Kevlar gibi mevcut malzemeler yeterli. Tek ciddi komplikasyon Phobos: bu küçük uydu, 11 saat 6 dakikalık aralıklarla ekvator düzlemini geçerek kabloyu tehdit eder.

Ay: Ay'ın dönüşü merkezkaç desteği sağlayamayacak kadar yavaş. Çözüm, kabloyu Lagrange noktalarına (L1 ya da L2) demirlemek. Dünya'ya dönük yüzden L1 üzerinden kurulacak bir asansörün uzunluğu 59.548 kilometreyi aşmalı — ama bugünkü mühendislik malzemeleriyle yapılabilir.

Küçük asteroitler ve uydular: Hızlı dönen küçük cisimlerde sıradan malzemelerle asansör kurulabilir; bazıları enerji üreteci olarak bile kullanılabilir.

Bugün nerede duruyor

Uzay asansörü, bugün aktif bir inşaat projesi değil ama ölmüş bir fikir de değil. Japon inşaat şirketi Obayashi 2012'de, karbon nanotüp kullanarak 2050'ye kadar bir asansör kurabileceğini duyurdu; tasarımında yolcu tırmanıcısı yer durağan yörüngeye 8 günde çıkıyor. Uluslararası Astronotik Akademisi'nin 2013 değerlendirmesi gereken malzemelerin 20 yıl içinde elde edilebileceği sonucuna vardı; 2019'da yayımlanan "Uzay Asansörü Çağına Giden Yol" çalışması bu değerlendirmeyi, grafen üretimindeki olası atılımlara dayanarak yineledi. 2008'de kurulan Uluslararası Uzay Asansörü Konsorsiyumu (ISEC), Japon Uzay Asansörü Derneği ve EuroSpaceward ile birlikte konuyu canlı tutuyor.

Fikrin yakın akrabaları da var: dönerek yük kapan gök kancaları, en çok 100 kilometre yükselebilen Tsiolkovski kuleleri, uçaklarla döndürülen aerovatorlar, yörünge halkaları, uzay çeşmeleri ve fırlatma halkaları. Hepsi roketsiz uzaya çıkma arayışının farklı cevapları.

Özetle: fizik sorun değil, malzeme sorun. Karbon nanotüp ya da grafenden kilometrelerce kusursuz lif üretilebildiği gün, uzay asansörü bir mühendislik projesine dönüşür. O gün gelene kadar Dünya'da değil, Ay ve Mars'ta kurulma olasılığı daha yüksek.

Kısaca

• Uzay asansörü, ekvatora bağlanan ve yer durağan yörüngenin (35.786 km) ötesine uzanan gergin bir kablodan oluşur; kütle merkezi bu yörüngenin yeterince üstünde olmalıdır.
• Fikri Tsiolkovski 1895'te kule olarak, Artsutanov 1960'ta sarkıtılmış kablo olarak önerdi; Pearson 1975'te hesabını yaptı, Bradley Edwards 2000'de ayrıntılı tasarımı yayımladı.
• Gereken özgül mukavemet 30-80 MPa/(kg/m³). Çelik 0,25, Kevlar 2,5, karbon nanotüp yaklaşık 100 değerinde.
• Çelik kablo için gereken konikleşme oranı 1,6 × 10³³ — yapılamaz. Nanotüp için yalnızca 1,6.
• Tek gerçek engel üretim: 2014 itibarıyla bir metreden uzun kusursuz karbon nanotüp lifi üretilememişti.
• Maliyet iddiası çarpıcı: yer durağan yörüngeye kilogram başına 12.125 dolar yerine 220 dolar.
• Mars'ta (yüzey kütleçekimi Dünya'nın %38'i) ve Ay'da (L1 üzerinden, 59.548 km'den uzun) asansör bugünkü malzemelerle kurulabilir.