Güneş panelleriyle kaplı bir ip, ISS’nin yörüngesini hızlandırabilir

ISS’nin yörüngesi yavaş yavaş bozuluyor. Gökyüzünde kalıcı bir demirbaş gibi görünse de, yörüngedeki uzay laboratuvarı gezegenden yalnızca 400 km kadar yüksekte bulunuyor. O yükseklikte çok fazla atmosfer olmayabilir. Ancak hala bir miktar var ve bununla etkileşime girerek istasyonun yörünge hızı yavaş yavaş yavaşlıyor, yörüngesi azalıyor ve sonunda onu Dünya’ya geri çekiyor. Yani eğer bunu durdurmak için hiçbir şey yapmasaydık.

İstasyonun 25 yıllık ömrü boyunca, yörüngesinin bozulmasını önlemek amacıyla roket güdümlü yörünge manevraları yapılabilmesi için yüzlerce ton hidrazin roket yakıtı buraya taşındı. Peki ya kendi kendine güç sağlayan, ucuz ve sürekli yakıt ikmali gerektirmeyen daha iyi bir yol varsa?

Yeni bir makale yayınlandı içinde Acta Astronautica Ph.D. Giovanni Anese’den. Padua Üniversitesi öğrencisi ve ekibi böyle bir konsepte odaklanıyor. Eski bir elektrodinamik bağlantı (EDT) fikrine dayanan ancak uzunluğu boyunca güneş panellerinin eklenmesi nedeniyle bazı avantajlara sahip olan, Çıplak Fotovoltaik Bağlantı (BPT) adı verilen yeni bir fikir kullanıyor.

BPT’nin ve daha genel olarak EDT’lerin arkasındaki temel fikir, iletken bir patlamayı manyetik alana doğru genişletmek ve itici bir kuvvet sağlamak için ortamdaki doğal manyetik kuvvetleri kullanmaktır. Temel olarak dev bir iletken çubuğu manyetik alana yerleştirir ve çubuğun bağlı olduğu yere kuvvet aktarmak için o çubukta oluşturulan elektrik alanı üzerindeki kuvveti kullanır. Şemsiyenin devasa bir iletken çubuk olması ve rüzgarın gezegenin doğal manyetik alanı olması durumunda, rüzgarın şemsiyeyi almasına benzer.

Elektrodinamik ipler yeni bir kavram değildir. İlk olarak 1968’de Giuseppe Colombo ve Mario Grossi tarafından Harvard Astrofizik Merkezi’nde tanıtıldılar. 1996 yılında Atlantis Uzay Mekiği’nde fırlatılan ve mekikten 10 km uzunluğunda bir ipi başarıyla konuşlandıran TSS-1R gibi birçok gösteri görevi halihazırda uçuşa geçti. Plazma Motor Jeneratörü adı verilen başka bir deney, 1999 yılında Rus uzay istasyonu Mir’de gerçekleştirildi; bu deney, yörünge istasyonunun işleyişini kanıtlamak için elektromotor kuvvet kullanmak yerine, doğrudan ipin kendisinden güç üretti.

Mühendisler uzun süredir ISS’de istasyon tutma görevlerini yerine getirmek için EDT kullanmayı düşünüyor. Ancak teknik bir tuhaflık bunu kullanışsız hale getirdi. Doğru türden kuvvetleri elde etmek için, ipin Dünya’ya doğru “aşağıya” veya gezegenden uzağa “yukarıya” doğrultulması gerekir.

İpin yönü ne olursa olsun, çalışması için yine de güce ihtiyaç duyacaktır. İçinden geçen elektrik akımının neden olduğu manyetik alanı olmasaydı, bir destek yerine daha fazla sürükleme görevi görürdü. Bu nedenle geleneksel bir EDT’nin bir güç sistemine bağlanması gerekir. Bununla birlikte, eğer bir EDT ISS’nin yukarısına doğru konuşlandırılırsa, bu güç sistemi istasyona yanaşmaya çalışan kapsüllerin yaklaşma koridorlarını engelleyecektir.

Bu, ISS’nin güç sistemine bağlanabilmesi için aşağıya bakan bir EDT’yi gerektirir. Bu işe yarasa da, yazarlar tarafından yayınlanan önceki bir makaleye göre ideal olmaktan uzaktır, çünkü aşağıya bakan ipler tipik olarak yörüngeyi hızlandıran manevralar yerine yörüngeden çıkarma manevralarında kullanılır.

BPT’yi girin. Geleneksel EDT ile arasındaki temel fark, yüzeyinin en azından kısmen güneş panelleriyle kaplı olmasıdır. Yeterli sayıda varsa, bu güneş panelleri sisteme tamamen güç sağlayabilir, yukarı bakan bir BPT’nin ISS’nin güç şebekesine bağlanmadan çalışmasına ve yaklaşan uzay aracı için yaklaşma şeritlerini açık tutmasına olanak tanır.

Bay Anese ve ekibi, ip ile ISS arasındaki ağırlık farkı birkaç kat olduğundan, ipin ağırlığını göz ardı ederek uzunluk ve güneş paneli kapsamı açısından farklı seçenekler üzerinde çalıştı. En azından bir tarafı güneş panelleriyle kaplı, yaklaşık %97’si güneş panelleriyle kaplı 15 km uzunluğunda bir ip kullanarak, UUİ’den ayda 2 km yörünge düşüşüne neden olan nispeten küçük kuvvete karşı koyabileceklerini buldular.

15 km’lik bir ip kulağa saçma derecede uzun gelebilir ve kabul etmek gerekir ki, Dünya’ya doğru yönlendirilirse, yere olan toplam mesafenin nispeten büyük bir yüzdesini kapsayacaktır. Ancak, özellikle Atlantis’in bu 10 km’lik ipi neredeyse 30 yıl önce konuşlandırdığı göz önüne alındığında, bu teknolojik fizibilite alanı dahilindedir.

Düşüncelerini kanıtlamak için yazarlar, farklı uzunluklardaki BPT’ye bağlı bir ISS’nin yörünge dinamiklerini simüle etmelerine olanak tanıyan FLEXSIM adlı bir yazılım paketine yöneldiler. Seçtikleri ipler yalnızca 2,5 cm genişliğindeydi ve güneş panelleri yalnızca %4,23 verimliydi; ancak bu muhtemelen panellerin küçük ve esnek olması gerektiği gerçeğinden etkileniyor. Bu uzunluktaki güneş panelleriyle sistem, tüm bağlantı için 8,3 kW’lık güç sağlayabilir; bu da ISS’nin yörünge yolunu hızlandırmaya yetecektir.

Güneş aktivitesinin yörüngesel hızlanmaya katkıda bulunan kuvvetler üzerindeki etkileri konusunda bazı nüanslar var, ancak genel olarak sistem, en azından teoride, işe yarıyor gibi görünüyor. Bununla birlikte, son zamanlarda ISS ile ilgili pek çok tartışma, ömrünün 2031 gibi erken bir tarihte gelebileceğiyle ilgiliydi.

Dolayısıyla istasyonda hala birkaç iyi yıl kalmış olsa da muhtemelen BPT sisteminden birkaç on yıl önce olduğu kadar yararlanamayacak. Bununla birlikte, muhtemelen bir gün yörüngede bir değişim olacak ve ömrü boyunca yörüngede yüzlerce ton yakıt tasarrufu sağlayabilecek böyle bir sistemden en başından itibaren faydalanabilir.