NanoSail-D2 Uydusu

 Ruha USLU, TA2IRU
 23 Ocak 2011

Merhaba. Bu sıralarda uzay/uydu çalışmalarında farklı bir uydunun heyecanı var. Bu seferki ilgi bir yelkenliye ait. Ama öyle bildiğiniz bir yelkenli değil. Bahsettiğim şey gerçek bir yelkenli gibi aynı mantıkla çalışan bir uzay yelkenlisi. Heyecanla izlenen aracın adı ise 19 Aralık 2010’da yörüngeye gönderilen NanoSail-D2. Şu an yukarıda ve onu fırlatanlar da dahil olmak üzere heyecanla beacon telemetre verileri toplanıyor. Öyle ki bu konuda sadece uzay ajanslarından değil, tüm Dünya’daki radyo amatörlerinden de destek istendi. Uydu bu nedenle son haftalarda TAMSAT Amatör Uydu İzleme İstasyonları tarafından takip edilip izlenmekte.

Yazıda asıl konumuz olan Nano Sail-D2 uydusuna geçmeden önce fikir vermesi bilgi mahiyetinde Dünyada mevcut benzer çalışmalardan da kısaca bahsetmek yerinde olacak.

Benzer Çalışmalar

Aslında uzay yelkenlisi fikri yeni değil. Daha önce de Rus ve Japon bilim adamlarının üzerinde çalıştığı bir konuydu. Hatta hatırlarsanız bir kaza da yaşanmıştı. Uzay yelkenlisi taşıyan Cosmos 1, Barent Denizi’nde bir denizaltıdan fırlatılmış ancak sonrasında araçla iletişim kopmuştu. Yetkililer, uzay yelkenlisinin fırlatılıştan (83) saniye sonra füzesinden ayrılmayı başaramadığını ve Dünya yörüngesine giremeden yere düştüğünü belirtmişti. Cosmos-1’de o zamanlar 15 metrelik yüksek yansıtma özellikli sekiz adet yelken bulunmaktaydı. Hesaplamalara göre uzayda yelkenlerini açmaya fırsat bulabilseydi, her gün saatte 160 Km artacak olan bir hızla yolculuğuna devam etmesi bekleniyordu. Gittikçe artan hızı yörüngedeki uyduların hızına erişecek yaklaşık 101 dakikada bir Dünya etrafında bir tur atmış olacaktı. Bunlar deneme aşamasındaki çalışmalar olduğu için kullanım ömrü beş hafta gibi kısa bir süre öngörülmüştü.

Resim-1. Yekenlerin açılma şekli. Image Credit: JAXA.

Tabi ilk çalışmaları başlatan Japonlar’da bu arada boş durmamıştı. Onlar da Havacılık ve Uzay Araştırmaları Merkezi (JAXA) tarafından (7,5) milyon dolara mal ettiği ‘Gezegenlerarası Güneş Radyasyonu Tarafından Hızlanan Uçurtma Gemisi’ (IKAROS) projesini başarıyla başlatmıştı. Projedeki yelkenli, açılmış hali  (14) metre olan bir araçtı. Önümüzdeki beş yıllık süre içerisinde Ay’a tekerlekli bir robot göndermek ve 2020 yılında da Ay’daki ilk uzay üssünü kurmayı da planlıyor.

Resim-2. Güneş itme gücü. Image Credit: JAXA

IKAROS demişken bu ismin bu çalışmaya verilmesi tesadüf değildir. Mitolojide der ki;

Atinalı mimar Daidalos ve oğlu İkarus, Kral Minos’un emriyle Labyrinthos’a kapatılır. Daidalos kendisi ve oğlu için bu labirentten kaçmaya yarayacak iki çift kanat yapar ve balmumuyla sırtlına yapıştırır. Babasının Ikarus’a uçarken zevkten kaçınması gerektiği, ne uçmanın coşkusuyla güneşe yaklaşmasını, ne de denize yakın uçup da kanatların nemlenmesini engellesini tembih eder. İkarus uçabilme özgürlüğü ile babasını dinlemez ve güneşe fazla yaklaşınca balmumu erir ve Ege Denizi’ne düşerek hayatını kaybeder.”

Tanegahima Uzay Merkezinden 21 Mayıs 2010’da gönderilen  IKAROS projesi ile ilgili detaylı bilgi almak isteyenler buraya tıklayarak diğer dokümanlara inceleyebilirler.

Güneşi Enerjisini İtme Gücü Olarak Kullanmak

Bildiğiniz üzere Güneş sadece ışık kaynağı değildir. Diğer kaynaklarına bakacak olursak ilk olarak radyasyon ikincisi ile Güneş Rüzgârıdır. Güneş rüzgârları hakkında da biraz bilgi verelim ki makalemize konu olan uydunun çalışma mantığı daha iyi anlaşılsın.

Güneş rüzgârı, bir yıldızın üst atmosferinden salgılanan yüklü parçacıklar (ayrıca plazma) akımıdır. Güneş dışında yıldızlar söz konusu olduklarında yıldız rüzgârından söz edilir. Çoğunlukla, yıldızın yüksek ısı düzeyi ve kendi devinim hızları sayesinde, yerçekiminden kurtulabilen yüksek erkeli (enerjili) eksiciklerden (elektronlardan) ve önelciklerden (proton) (1 keV yakınlarında) oluşur. Güneş rüzgârına doğrudan bağlı olaylar arasında, Yer’deki elektriksel güç merkezlerini etkisizleştirebilen yermıknatıssal fırtına, kutup ışıkları, ve kuyrukluyıldızların kuyruğunun Güneş’den ters yönde olması sayılabilir. Güneş rüzgârının incelenmesinde kullanılan ısı erkesi tabanlı savlar 1960’lara varıldığında, ısısal hızlandırmanın parçacıkların hızını açıklayamamasının kesinleşmesi ile geçerliliklerini yitirdiler. Bu bağlamda, son yıllarda Güneş atmosferinin mıknatıssal alanının etkisine ağırlık verilmektedir.

Bunun etkisini ise kuyruklu yıldızlarda görüyoruz. Güneş rüzgarı nedeniyle kuyruklu yıldızların kuyruğu hep Güneş’ten öteye doğru uzanır. Kuyruklu yıldızın mavi kuyruğunu Güneş rüzgarı, beyaz kuyruğunu ise Güneş ışığının basıncı oluştuturur.

Uydularla yapılan gözlemler göstermiştir ki Yer yakınlarında 1 cm3’den ortalama 10 kadar proton ve elektron geçer ve ortalama hızları 400 Km/s. kadardır. Güneş yakınlarında taç katmanı kuvvetli ve kapalı manyetik alanlar tarafından tutulur ve plâzmanın kaçması engellenir. Kaçan güneş rüzgârı genellikle X-ışını fotoğraflarında belirgin olan taç katmanı deliklerinden, yani açık manyetik alan çizgileri boyunca çıkar. Bu rüzgârın hızı değişkendir ve Güneş’in manyetik çevrimine bağlıdır.

Bunları anlatırken şimdi aklınıza şöyle bir soru gelebilir.” Eh bana da Güneş ışığı çarpıyor niye yere devirmiyor?” Elbette burada anlatılan itki uzay ortamı için geçerli. Yeryüzünde de aslında hissetmediğiniz bu etki var ancak başta atmosferimiz olmak üzere çok cici ve faydalı bir katmanla korunmuş durumdayız.

Güneş Rüzgarı Ne kadar Uzağa Gidebilir?

Ne kadar uzağa gidebileceğine gelince. Epey uzak. Çünkü Güneş sistemi ötesine giden Voyager’de Güneş sisteminden gelen radyo dalgalarını ve parçacıkları analiz etmiş ve (25) yıllık araştırma sonunda ilginç bilgiler elde edilmiştir. Öyle ki Güneş rüzgarları çıkış yaptığı noktadan (90) AB uzakta esebilmektedir. Tabi Güneşimizin bunu yapması için oldukça güçlü bir kütle saçması gerek. Bu da şu demek. Her bir saniyede tam 1 milyon ton kütle! Neyseki bu hızla kütle kaybına göre önümüzde bu enerjiyi kullanabileceğimiz (70) trilyon yıl var demektir.

Peki Bu Güç Niçin Uzay Araçlarında Kullanılmasın?

Günümüzde nasıl bir su yelkenlisi, yelkenlerini fora edip rüzgar onu ve dolayısıyla gemiyi itiyorsa, bundaki itici güç de Güneş rüzgarları. Yelken ise benzer şekilde kulanılan, ancak bir saç telinden çok daha ince yapıda bir yelken. Bu çalışmaların devam edip başarılı olacağına inanıyorum çünkü şimdiden bir çok alanda başarı sağlandı ve gelecekte geleneksel yakıt, motor ve itiş sistemlerine iyi bir alternatif olma yolunda. Belki de kullanılacak tek sistem. Şimdiki halinde henüz insanlı bir uçuş denenmedi ve sadece uydularda kullanılsa da önümüzdeki dönemlerde mutlaka kullanılacaktır.

Uzay yelkenlisi kullanılmasının başka amaçları da var. Uzay araçları, uzun yol seyahatlerinde sadece kendi motorlarının itme kuvvetini kullanıp pekala ilerleyebilseler de, zaman faktörü göz önüne alındığında hız yeterli gelmemektedir. Uzayda sürtünme kuvveti olmadığı için motorlar bir kez yeterli sürate çıkıncaya kadar ateşlenip durdurulmuş olsa da daha fazla hız için başka yöntemlerin de kullanılması gerekmekte.

Uzak gezegen ve diğer araştırma görevlerine gönderilen uzay araçları sanıldığını aksine düm düz hedeflerine ilerlememektedirler. Bunu yerine yolları üzerindeki gezegenlerin kütle çekim etkisinden de faydalanmaktadırlar. Onun kütle çekim etkisine giren bir uzay aracı çok daha fazla süratlere erişmekte, bu hız sayesinde de gezegene çarpmadan kavisli bir rota kullanarak yoluna devam etmektedir. Kısacası bir “sapan etkisi” oluşturulmaktadır. Ancak uzay yelkenlisinin böyle bir güce ihtiyacı olmayacağı ve gittikçe artan bir hıza sahip olacağı için rotası filmlerde gördüğünüz uzay araçları gibi düz olacaktır. İşte saydığımız tüm bu sebeplerden dolayı NASA ve JAXA gibi uzay ajansları bu amaçla oluşturulmuş vakumlu labaratuvarlarda bir çok deney yapmaktalar.

Aslında bu çalışmalarda Güneş kaynağından önce lazer yelkenlisi düşünülmüş ve çok güçlü bir lazer ışığının benzer bir sistemi itmesi öngörülmüştü. Ancak Güneş ile en güçlü lazeri kıyasladığınızda şimdi neden farklı bir tecih yapıldığını kolayca anlayabilirsiniz. Yine de lazer çalışmaları tamemen askıya alınmış değil. Bakınız uzay asansörü.

Güneş/uzay yelkenlisinin neler yapabileceğine gelince. Demir atma hariç sanırım normal yelkenlilerin yaptığı her şeyi yapabilecek durumda, Yelken açılarının değiştirilmesi ile yön değiştirebilir, Güneşin çekim gücünü çalışma sistemi gereğince dengeleyip asılı kalabilir veya hızını konumlandırılabilir.

Nasıl Bir Yelkendir Bu?

Deniz yelkenlilerinde yelkenin alnını ne kadar büyük ve elde edilen güç ne kadar büyük ise, bunda da genel prensip aynı. Yelkenler genelde aliminyum karışımlı polimer, polyimide reçine (0,0075 mm) veya Mylar’dan üretilmekte ve saç telinden çok daha ince (30-100 nanometre) bir yapıda olmakta.

NanoSail-D Uzay Yelkenlisi

Buraya kadar anlattıklarımız Güneş gücü, yelkenlinin çalışma sistemi. Şimdi de NanoSail-D’ye bakalım.

Görev Hedefleri

Uydu aslında ileri dönük yapılacak büyük çalışmalar için bilgi birikimi sağlanmka üzere hazırlanmış. Bu uçuş deneylerinde bu amaçla üretilecek nano uyduların performansı, sıkıştırılmış yelkenin açılma işlemleri, yörünge tutulum durumu incelelenecek. Aynı zamanda ARC-MSFC işbirliğiyle yer/zemin görüntüleme ve uçuş deneyimi çalışmaları da ikincil hedefler arasında.

Otomatik İzleme Ağı

Birleşik Devletlerde “SCU”, “SLU” ve “PA” kodlu üç tane otomatik alma yapan ve uyduyu takip eden yer istasyon ağı periyodik geçişleri izlemektedir. Yazıyı yazdığımda (10) ülkeden toplam (454) paket veri toplanmıştı.

Genel Bilgiler

Organizasyon: NASA and Santa Clara University,
Uydu Türü: Küp Uydu (Cubesat),
Fırlatma Yeri : Kodiak Adası, Alaska,
Yörünge Yüksekliği: 650 Km. / 72 derece eğim,
Periyodu: 90 Dakika,
Yörüngede Tutulum Süresi: 70-120 gün arası.

Genel Yapı:

– GeneSat mimari Bus yapısı,
– 10 metrekare, 3 mikron CP-1 Yelkenli,
– 2.2 m metal bant TRAC bumu,
Beacon Frekansı: 437.270 MHz. UHF/FM.

Uyduyu İzlemek İçin gerekli TLE Verileri:

(22 Ocak 2010 tarihi itibariyledir, güncel dosya için buraya tıklayınız) Bu veriyi bir *.txt dosyasına kaydederek doğrudan Orbitron vs. yazılımla kullanabilirsiniz.

NANOSAILD

1 90027U 0        11021.03111096 +.00000496 +00000-0 +78023-4 0 00033
2 90027 071.9761 003.6513 0021431 200.5132 159.5103 14.77037263000254
İzleme Verisi Gönderme:

Bu çalışma için doğrudan bir ses dosyası göndermiyoruz. Bunun yerine bir kaç uydu (GeneSat-1, PharmaSat, O/OREOS, and NanoSail-D2) ile birlikte kullanılan ortak web alanıyla elde ettiğiniz telemetre verisini bir form üzerinden gönderiyoruz. Formda uydunun adını ayrıca belirtmenize gerek yoktur. Analiz sonucu verinin hangi uyduya ait olduğu bilinebilmektedir. Form kısa ve açıklamaya gerek bırakmayacak şekilde ancak bir yine de kısa açıklama ekleyelim.

Name: Adınız soyadınız,
Email: E-posta adresiniz,
Call Sign: Amatör telsiz çağrı işaretiniz,
Location: Ülkeniz (Turkey seçilmeli),
Geniş mesaj alanı: Beacon mesajını (AX25) yazacağınız alandır,
Uzun boş satır: Kısa bir yorum ekleyebileceğiniz alandır.Yapmanız gereken sadece “Submit” (Gönder) tuşuna basarak veriyi yollamaktan ibarettir.

NanoSail-D Beacon Paket Verisini Çözme

NanoSail-D’nin beacon (işaretçi) frekansının 437.270 MHz. FM olduğunu yukarıda belirtmiştim. Beacon her (10) saniyede bir olacak şekilde AX-25 protokolünde veri göndermektedir. Örnek.

Ham Hex        Ham Veri                   Hesaplama                            Değer

C8 A1 01 –> 200 161 1 -> 200*160 + 161*162 + 1*164   -> 106952

Ejection Time in the example packet is 106952 seconds.

Diğer uydulardaki gibi siz herhangi bir yazılım kullanarak beacon paket verisini çözmediğiniz için daha fazla detaya girmiyorum. Ancak meraklı arkadaşlarımız uydunun durumunu kendileri de görmek istiyorlarsa buraya tıklayarak detaylı açıklama dosyasını indirip bakabilir hangi rakamın hangi değere denk geldiğini görebilirler.

Aşağıdaki resimde koruyucu kutu içerisindeki NanoSail-D uydusunu görmektesiniz. Bu onu roketle birlikte uzay yolculuğuna taşıyacak olan bir kutu. Size basit bir metal kutu gibi görünebilir ancak sadece o kutunun ücreti ile ikinci el bir araba alabileceğini belirteyim. Titreşim testleri en önemli testler araısında yer almaktadır. Çünkü uydu, fırlatmadan serbest uzay uçuşuna kadar sürecek olan gerçek bir dizi titreşime maruz kalacaktır.

Resim-3. NanoSail-D, fırlatma kutusu içinde iken titreşim testlerinde.

Resim-4. Yörüngeye yolculuk süreci.

19 Aralık 2010’da Kodiak Adasından yapılan başarılı fırlatmadan sonra, roket hızla yükünü uygun yüksekliğe çıkardı. Yaklaşık (20) dakika süren yolculuktan sonra NanoSail-D’nin de içinde bulunduğu ana yük olan FASTSAT uydusu ayrıldı. Akabinde de NanoSail-D, FASTSAT’tan tahliye edildi. Uydu bir süre daha serbest uçuşuna devam etti. Tabi bu ayrılma ile birlikte (3) gün sürecek olan heyecanlı bir geri sayım süreci de başlamış oldu. Sayaç sıfırlanıp zaman dolduğunda, uydunun ortasından alt kısmına doğru dört yüzeyde bulunan dış kapaklar açıldı. Şerit metre benzeri dört uzun kol yerlerinden kurtularak uydu gövdesinden hızla fışkırdı ve beraberinde de tam (100) metrekare (anten ebatları 10 x 10 metre) olan anteni açtı. Tabi tüm bu açılma işlemi sadece beş saniye kadar sürdü. Polimer yelkenlerini açan uydu, yaklaşık (70-120) sürecek asıl alçak yörünge yolculuğuna başladı. Tabi bunlar yerden (650) Km. yukarıda olan şeylerdi. Aşağıda ise heyecanlı haberi ekleyenler için de ilk bilgi niyahetinde geldi.

Huntsville’de bulunan NASA’nın Marshall Uzay Uçuş Merkezi çalışmanın başarılı olduğunu doğruladığında herkes derin bir nefes aldı. Haber tüm uydu ve yer ekibince sevinçle karşılandı. Tabi uyduyu izleyen sadece onlar değildi. Başta Marshall Amatör Radyo Kulübü olmak üzere o bölgedeki tüm radyo amatörleri neredeyse uzay merkezi ile yarıştı. Uydunun başarılı çalışması onu üreten takım kadar devlet kurumlarının ve FASTSAT-HVS01 takımlarının ortak başarısıdır.

Resim-5. Yelkenin uzayda açılmış hali.

(Video-1. Yelkenlerin açılış videosu. Videoyu izleyemiyorsanız bu linke tıklayınız.)

Eğer yelken açılışı size ilginç geldiyse; bu linklerden de farklı uydu modellerinin yelken açılışlarını görebilirsiniz. Video-1 Video-2 Video-3 Video-4

Gördünüz değil mi? Her biri nasıl da birer mühendislik ve tasarım harikası. Aslında sizler uzay yelkenlisine yabancı değilsiniz. Bu çalışmalar başlamadan çok önce buna şaitlik etmiş olmalısınız. Çünkü ben bunun çalışma mantığını gösteren minik ve çok basit bir çalışmayı yirmi yıl önce ansiklopedilerde görmüştüm. Hafızanızı tazelemenize yardım etmemi ister misiniz? 

Aşağıdaki videoyu izlediğinizde eminim sizlerde hatırlayacaksınız. Bu teknolojiyi çok daha basit ve anlaşılır bir şekilde görerek aklınıza yerleşmesine yol göstereyim. Videodaki cihaz bir “Radiometre”. Havası alınmış bir tüpün içerisinde yerleştirilmiş kanatçıkların bir yüzü koyu, diğer yüzü parlak renkte boyalı. Gerek pervanelerin kendisi ve gerekse mili çok hafif malzemeden yapılmıştır. Parlak yüze çarpan fotonlar çok düşük güçtede olsa bir itme etkisi meydana getirmekte ve pervaneyi döndürmektedir. Bakınız TAMSAT Sözlük “Radiometre. Bu videoyu özellikle seçtim çünkü ortalarına doğru aslında havanın pırıl pırıl olmadığını kısmen kapalı olmasına rağmen radiometreyi nasıl da hızlı çevirdiğini görmenizi istedim.

Video-2. Yelkenlerin açılış videosu. Videoyu izleyemiyorsanız bu linke tıklayınız.

Nasıl? Aslında teknolojinin mantığı ve çalışma prensibi birebir aynı ve basit. Ancak düşünmek ve onu hayata geçirmek, güncel veya uzay çalışmalarında nasıl kullanılacağını bilip üretmek de o derece önemli ve zaman alıcı.

Evet bir yazının daha sonuna geldik, uzay yelkenlilerinde durum kısaca böyle. Yazıyı bitirmeden önce bir kaç şey daha eklemek isterim. Bazen konuya yabancı olan kişilerle konuşurken, uyduların ilgi odağı olduğunu görüyorsunuz. Yaptıkları işten ziyade asıl mistik hava onların bir anlamda bilinmezlikte ve ulaşılmaz bir yer olan uzayda olmaları.  Söz dönüp dolaşıp uydunun büyüklüğüne gelince “aaa gerçekten hepsi o kadarcık mı?, (20-40) cm. lik uyduyu yapmanın neresi zor” gibi sorularla  karşılaşmıyor değiliz. Aslında soru basit, ancak verilecek cevap belki günlerce sürecek kadar uzun. Gerçekten de bu çalışmalarda uydunun büyüklüğü küçüldükçe işler daha da karmaşık hale geliyor. Çözülmesi gereken bir sürü problemler, çok uzun süren hazırlık çalışmaları ve içsel testler, kodlamalar, donanımların üretilmesi, toplantılar vs. derken zamanın nasıl akıp gittğini bile anlamıyorsunuz. Herşeyi derleyip topladığınızda ise, evet gerçekten o kadarcık bir kutunun içine Dünyayı sığdırdığınızı görüyorsunuz.

Yapılan iş hafife alınmayacak kadar zor, emek gerektiren, bir çok alanda bilgili ve doğru kişilerin bir araya gelmesi gerek bir takım çalışması. Çok basit bir örnekle özetlemek gerekirse. Aracınız siz içinde olun ya da olmayın bir problem oluştuğunda gider servise çekersiniz. Onlar kaputu motoru vs. açar rahat rahat işlerini yapar, tamirat biter ve size teslim ederler. Ancak uydu  bir kez yukarı çıktığında Mazallah bir arıza baş gösterdiğinde onu aracınızı servise çeker gibi geri çağıramazsınız. O artık (-55) derece uzay boşluğunda yüzen bir mecnundur. Uydu sahip olduğu herşeyini size borçludur. Bu nedenle onu en ince ayrıntısına kadar düşünmelisiniz.

En büyük heyecan da zaten yukarıda yörünge anlatımındaki o ilk sinyali duyma anında yaşananlar. Uydumuz ITUpSAT1’i ilk dinlemeye çalıştığımız ve ilk sinyali aldığımız günü düşünüyorum da, daha dün gibi.

Resim-6. Araştırma yapan grup açılmış yelken önünde.

Bu konu üzerinde çalışma yapılmasının önemini sanırım anlamışsınızdır. Amaç uzay araçlarının seyahati için bedava ve sonsuz bir itki enerjisine sahip olmak. Mevcut sistemlerde motorları besleyen yakıt hem oldukça ağır hem de istenilen kadar uzun dayanamıyor. Bunun yanında getirdiği bir çok dezavantajlar da cabası. İşte bilim adamları özellikle uzun uzay yolculuklarında kullanılabileceği öngörülen bu sistem üzerinde bu sebeple uzun zamandır emek sarfetmekteler. 

Yazımızın son resmini de NanoSail-D2 ekibine ayırdım. Bir sonraki makalede görüşünceye kadar kendinize iyi bakın. Umarım bir gün çocuklarımız böyle bir uzay aracı ile seyahat etme imkanı bulur, muazzam manzara önünde çaylarını yudumlarlar. zaten bugün ne yapıyorsak herşey çocuklarımız ve geleceğimiz için değil mi?

 
Kaynak:
http://www.nasa.gov/

http://www.jaxa.jp
http://nanosaild.engr.scu.edu/dashboard.htm
http://www.nasa.gov/mission_pages/smallsats/nanosaild.html
http://www.nasa.gov/mission_pages/smallsats/fastsat/10-162.html

 

Yazı hakkında görüşlerinizi belirtmek istermisiniz?