Güneş enerjisiyle çalışan elektrikli tahrik sistemleri, Mars’a verimli yolculuklar için tam da ihtiyacımız olan şey olabilir

Mars’a ulaşmanın birçok farklı yolu vardır, ancak her zaman ödünleşimler vardır. En popüler olanı olduğu kanıtlanmış kimyasal itiş, bir uzay aracını hızla kızıl gezegene ulaştırabilir. Ancak yakıtlarını getirmenin maliyeti yüksek oluyor ve bu da görevin genel maliyetini artırıyor. Alternatif itki teknolojileri birçok derin uzay uygulamasında ilgi görüyor. Şimdi, İspanya’dan bir bilim insanı ekibi, Dünya’dan ayrıldıktan sonra tamamen elektrikli itiş gücü kullanan Mars’a bir sonda göndermek için nelerin gerekli olduğunu ön olarak inceledi.

Elektrikli tahrik sistemlerinin kimyasal roketlere göre birçok avantajı vardır. Ağır bir şeyi yörüngeye kaldıracak kadar ölçeklendirilemeyecek olsalar da, uzaya vardıklarında yükleri gitmeleri gereken yere taşıma konusunda olağanüstü derecede verimlidirler. Tipik bir kimyasal roket, fırlatma kütlesinin %70 ila %90’ının yakıt olarak kullanılmasını gerektirirken, elektrikli bir tahrik sistemi, fırlatma kütlesinin yalnızca %10 ila %40’ını yakıt olarak kullanabilir.

Yapılacak takas itme yönündedir. Elektrikli tahrik sistemleri tipik olarak kimyasal roketlerin yarattığı itme kuvvetinden en az dört kat daha küçük bir itme kuvvetine sahiptir. Bu arada uzaydaki önemli etkisi, elektrikli tahrik sistemlerinin çok daha yavaş olmasıdır. Ancak bu, mürettebatsız görevler için o kadar da endişe verici olmayabilir.

Şimdiye kadar hiç kimse, kimyasal itici güç yerine elektrikle yürütülen bir Mars misyonu arasında ne kadar fark olacağını düşünmeye zaman harcamadı. En yakın çalışma, Mars’ın uyduları Phobos ve Deimos’a yapılacak bir ziyaret için hazırlanan ve tamamen elektrikli itiş gücüne dayanan çalışmaydı. Bu çalışmada araştırmacılar, kimyasal tahrik seçeneğinin, elektrikli tahrik seçeneğine göre 2,5 kat daha fazla kütle gerektireceğini buldu. Bu, görevin genel maliyetini önemli ölçüde azaltacaktır.

Bunda yeni çalışmayayınlanan Acta AstronauticaAraştırmacılar, 2.000 kg’lık bir uzay aracını Mars çevresinde 300 ila 1.000 km arasındaki kutupsal yörüngeye yerleştirecek bir yörüngeye odaklandılar. 2.000 kg ağırlık limiti, ESA’nın üzerinde çalıştığı ExoMars yörünge aracına eşdeğer bilimsel paketleri içerebilecek bir paket olarak seçildi.

Bu görev kısıtlamaları nedeniyle araştırmacılar birkaç farklı tipte elektrikli tahrik sistemini değerlendirdiler. Ek bir gereklilik ortaya attılar; birçok elektrikli tahrik sisteminin üst itme aralığında çalışması gerekiyordu. Mars etrafındaki yörüngeye başarılı bir şekilde girmek için gereken minimum 0,1 N’lik itme kuvvetidir.

Bu kısıtlama, görevin birincil tahrik sistemi olarak BHT-6000’in seçilmesine yol açtı. Bu, 2 kW ile 6 kW arasında güçle çalışan ve Xenon ve Kripton gibi nispeten yaygın elektrikli itici yakıtları kullanabilen bir Hall Etkisi iticisidir. Bu itici güç seçimiyle, her astrodinamikçinin en sevdiği aktivite olan modellemeye geçmenin zamanı gelmişti.

Araştırmacılar, seçtikleri yörüngenin yerçekimi etkisini haritalandırmak için çoklu cisim modeli kullandılar. Daha sonra standart bir kimyasal yakıt ve BHT-6000 ile bir görevin simülasyonlarını yürüttüler. Buldukları şey, elektrikli tahrikin avantajlarına ilişkin genel beklentilerle uyumlu görünüyordu.

Hız açısından kimyasal roket daha hızlıydı ama çok da abartılacak kadar değildi. Kimyasal bir roket bu yolculuğu bir yıldan biraz daha kısa sürede tamamlayabilirken, BHT-6000 destekli bir görevin fırlatılmasından itibaren yaklaşık 3,2 yıl sürecek. Ancak kimyasal tahrik sisteminin ağırlığı, elektrikli tahrik sisteminin ağırlığının 2,4 katı olacaktır. Nispeten muhafazakar bir fırlatma maliyeti olan 10.000 $/kg’da bile bu, elektrikli tahrik sisteminin maliyet tasarrufunu kimyasal alternatife göre neredeyse 30 milyon $’a çıkaracaktır. Tüm bunlar, görevi istasyona taşımak için birkaç yıllık daha fazla seyahat süresi pahasına.

Bu, birçok uzay araştırma kurumunun kısıtlı bütçeler nedeniyle memnuniyetle ödeyeceği bir ödünleşimdir. Ancak şu ana kadar bu sadece bir model, çünkü Hayabusa-2 gibi birkaç derin uzay görevinde halihazırda bu elektrikli tahrik yöntemini birincil tahrik sistemi olarak kullanacak planlanmış bir derin uzay görevi yok. Ancak teknoloji ilerledikçe gelecekteki derin uzay görevlerinin, özellikle de insansız olanların Mars’a gitme olasılığı giderek artıyor.