Bilim adamları, Venüs atmosferi boyunca ışınlanan gücün fizibilitesine bakıyor

Birkaç hafta önce, Caltech’ten bilim adamlarından oluşan bir ekip, yörüngedeki bir uydudan Dünya’ya başarılı bir şekilde enerji aktardıklarını duyurdu. Çok fazla enerji değildi ama bunun mümkün olduğunu gösterdi.

Sonunda, güneş uydularından Dünya’ya enerji ışınlayabilir, güneş enerjisini neredeyse her yerde kullanılabilir hale getirebilir ve iklim değişikliğiyle mücadeleye yardımcı olabiliriz. Ancak başka bir potansiyel kullanım daha var: Venüs’teki yüzey sondalarına güç sağlamak.

Venüs’ü herkes bilir. Aşırı ısısı ve ezici atmosferik basıncıyla birden fazla iniş aracını öldürdü. Eski Sovyetler Birliği, gezegenin yüzeyine bir dizi sonda gönderdi ve bunların çoğu başarısız oldu. En başarılı olanı, 457 °C’de (855 °F) iki saatten biraz fazla hayatta kalan ve 9,0 MPa (89 standart atmosfer) basınca maruz kalan Venera 13’tü.

Venera 13’ün kısa ama önemli başarısına rağmen, gezegen sırlarını korudu ve biz de onları ortaya çıkarmak için yüzeyine geri çekildik. Bu nedenle NASA, DAVINCI+ misyonunun (Derin Atmosfer Venüs Soygazların, Kimyanın ve Görüntülemenin İncelenmesi) bir parçası olarak yüzeye bir araç göndermek istiyor.

Ancak, Venüs’ün kötü koşullarına kolayca boyun eğmeyecek bir tane inşa edebileceğimizi varsayarsak, Venüs’ün benzersiz, hain yüzeyine bir iniş aracına nasıl güç verileceği sorusu var. Olağan yöntemler -güneş enerjisi, piller, radyoizotop termoelektrik jeneratörler- göreve uygun değil. Bu, dergide yayınlanan “Venüs Atmosferi aracılığıyla ışınlanan gücün fizibilitesi” başlıklı yeni araştırmaya göre. Acta Astronautica. İlgili yazar, Jet Tahrik Laboratuvarı’ndan Erik Brandon’dır.

Yazarlar, “Güneş dizileri, piller ve radyoizotop termoelektrik jeneratörlerinden oluşan son teknoloji uzay gücü teknolojileri, yüksek sıcaklıklar, yüksek basınçlar ve aşındırıcı ortamla sınırlı olarak Venüs’ün yüzeyinde çalışamaz” diye açıklıyor.

Venüs güneşe daha yakındır, ancak kalın atmosferi, yüzeye çok fazla güneş radyasyonu ulaşmadığı anlamına gelir. Güneş enerjisinin yaklaşık %75’i Venüs’ün bulutları tarafından yansıtılır ve atmosferin tepesinde meydana gelen güneş akışının yalnızca yaklaşık %2,5’i yüzeye ulaşır. Bulutların üzerinde güneş enerjisi bol miktarda bulunur. Venüs, atmosferinin tepesinde, Dünya’nın atmosferinin tepesinde aldığından iki kat daha fazla güneş ışığı alır.

Bu bol enerji, bulutların üzerindeki güneş kollektörleri tarafından kullanılabilir ve daha sonra bir arazi aracına/geziciye ışınlanabilir mi? Bir sürü kalın bulutun arasından geçmesi gerekecekti. Makalede, “Böyle bir yaklaşımın fizibilitesi ve diğer ilgili görev kavramları burada, ışınlanan enerjinin atmosferik soğurulması ve saçılması perspektifinden tartışılmaktadır.”

Enerjiyi bir yerden başka bir yere ışınlamak, kablosuz enerji (veya güç) aktarımı olarak adlandırılır. İki tür vardır: yakın alan ve uzak alan. Yakın alan, mobil cihazlar için şarj pedlerinde kullanılan türde kısa mesafeli enerji aktarımıdır. Uzak alan enerji aktarımı aynı zamanda güç ışınlaması olarak da adlandırılır ve gücü bir üreticiden bir alıcıya ışınlamak için mikrodalgalar veya lazerler kullanır.

Yörüngesel bir güneş kollektöründen bir yüzey aracına enerji ışını ile ilgili bir sorun, bir Venüs sabit yörüngesindeki komplikasyonlardır. Gezegen o kadar yavaş dönüyor ki, durağan yörünge gezegenden çok uzakta ve bu da yörüngeyi kararsız hale getiriyor. Her nasılsa, bir güneş kollektörünün gezegene daha yakın olması gerekir. Üst bulutların üzerinde, yaklaşık 60 veya 70 km yükseklikte, bir toplayıcı esas olarak mevcut tüm güneş ışığını alacaktır. Görev tasarımı, toplayıcıyı veya toplayıcı grubunu doğru yükseklikte ve konumda tutmak zorunda olabilir.

Alternatif bir çözüm, enerjinin bir kısmını her yörüngedeki iniş aracına ışınlamaktır, bu da yeterli olabilir. Yazarlar, “İniş aracının birkaç yörünge geçişi boyunca yüzlerce Wh (Watt saat) enerji alınabilir” diye açıklıyor.

Ancak bunlar, genel görev mimarisinin daha büyük sorunlarıdır. Bu araştırma, bu sorunun çözümlerinin olduğunu varsayar. Bu çalışmada yazarlar, enerjinin nasıl ışınlanacağına ve alınacağına odaklanıyorlar, bu tam olarak incelenmemiş bir şey. Yazarlar, “Ancak, bugüne kadar, uygun bir platform ve görev mimarisi tasarlanıp uygulanabilseydi, ilgili dalga boylarında güç iletmenin fizibilitesine ilişkin kapsamlı bir çalışma yapılmadı.”

Sorun, Venüs’ün atmosferinin yoğun olması ve mikrodalgaların güç ışınlamasına müdahale eden kimyasallar içermesidir. CO₂ konsantrasyonlar özel bir problemdir.

Lazerler daha iyi bir seçenek olabilir. Yoğun atmosferle ilgili sorunlar olsa da, atmosferde lazerlerle güç ışınlamasına izin verebilecek belirli “frekans pencereleri” vardır. Yazarlar, “Mantığa aykırı bir şekilde, Venüs atmosferinde bulunan ve mikrodalga güç ışınlaması kullanılarak elde edilemeyen belirli optik/kızılötesi ‘pencereler’ göz önüne alındığında, Venüs’te sürekli bulut kapsamına rağmen lazer kaynakları aracılığıyla güç ışınlaması mümkün olabilir.”

Lazerlerin, mikrodalgalara kıyasla azaltılmış ışın yayılımı gibi başka avantajları da vardır. Bu, alıcı antenlerin o kadar büyük olması gerekmediği anlamına gelir. Bir metrelik bir alıcı yeterli olabilir ve bir arazi aracının tasarımına çok fazla müdahale edecek kadar hantal olmayacaktır.

Güneş enerjisi Venüs’ün atmosferinin tepesinde bol miktarda bulunurken, onu tüm atmosfere ışınlamak en iyi yaklaşım olmayabilir. Bunun yerine, bir balon veya başka bir araç kendisini atmosferin ortasına yakın bir yere yerleştirebilir. Orada uygulanabilir olması için yeterli güneş enerjisi alacak ve enerjiyi yalnızca atmosferin bir kısmından geçirmesi gerekecek.

Yapılan araştırmalar 47 km irtifanın önemli olduğunu gösteriyor. O yükseklikte bir bulut tabanı var ve onun altında ışınlanan enerji daha az saçılmaya maruz kalıyor. Ayrıca 47 km’den itibaren en yüksek iletim faktörünün 1022 nanometre olduğunu ve burada ışınlanan enerjinin yaklaşık %20’sinin bir yüzeye iniş aracına ulaşacağını gösteriyor.

Yazarlar, “Bu hesaplamalar, bulut tabanının yakınında çalışan bir hava platformundan iletimi kullanarak Venüs’te güç ışınlaması için makul bir yaklaşıma işaret ediyor” diye yazıyor.

Ancak bunu yapacak teknoloji var mı? Makale, 47 km yükseklikte ne tür bir araç veya platformun kullanılabileceğini tartışmamaktadır. Güç ışınlamasının kendisine ve eğer hesaplamalar bunun mümkün olduğunu gösteriyorsa odaklanırlar. Ama aynı zamanda mevcut lazer teknolojisinden ve göreve uygun olup olmadığından da bahsediyorlar.

Araştırmacılara göre, henüz doğru türde bir lazerimiz yok.

Ancak araştırmacılar bunları geliştirmekle meşgul. Yakın kızılötesi (NIR) pencerede çalışan ve yüksek güçte de çalışabilen iterbiyum katkılı fiber lazerler (YDFL’ler) geliştirilme aşamasındadır. Ne yazık ki, Venüs’te kullanım için ideal dalga boyunda çalışmıyorlar: 1022. Bunun yerine, diğer iki aralıkla sınırlıdırlar: 970–980 nm ve 1030–1100 nm. Ancak lazerler, dünyadaki farklı araştırmacıların yoğun bir odak noktasıdır ve ilerleme istikrarlıdır.

Bir tür hava platformunu sabit ve doğru pozisyonda tutma görevi, herhangi bir güç ışınlama görevi için kritik öneme sahiptir. Ancak araştırmacılar şimdiden Venüs’te kullanılmak üzere balonlar ve diğer hava platformları üzerinde çalışıyorlar. Geliştirilebileceklerini varsayarsak, yazarlar, güç ışınlama senaryosunun zorluğun üstesinden gelebileceğinden ve Venüs yüzeyine başarılı görevler yaratabileceğinden eminler.

“Ayrıca, güç ışınlaması ve genel termal yönetim için kullanılan bu tür bir hava aracı platformunun kontrolü ve işaretlenmesi ile ilgili mühendislik ve görev tasarımı zorlukları olmasına rağmen, bu analiz, bu optik pencerelerin yeterli görev sağlayan güç seviyelerini sağlamak için kullanılabileceğini göstermektedir. Venüs’ün yüzeyine ışınlanacak.”

Belirli bir sistem tasarlanmadan önce Venüs’ün atmosferini daha iyi anlamamız gerekiyor. DAVİNCİ+’ın üç temel bilimsel hedefi vardır ve bunlardan biri, içinde dolaşan atmosferi anlamaktır.

Bulguları, bilim adamlarının gezegenin yüzeyine ışınlama gücünde hangi engellerle karşılaştıklarını anlamalarına yardımcı olacak. Güvenilir bir şekilde yapılabilirse, Venüs keşiflere açık olacaktır.