Manyetohidrodinamik bir tahrik Mars’taki yakıt istasyonlarına yol açabilir

Önümüzdeki 15 yıl içinde NASA, Çin ve SpaceX, Mars’a ilk insanlı görevleri göndermeyi planlıyor. Her üç durumda da, bu görevlerin, birçok geri dönüşe ve büyük olasılıkla kalıcı insan yerleşimlerine olanak sağlayacak yüzey habitatlarının yaratılmasıyla sonuçlanması amaçlanıyor. Bu, en büyüklerinden biri bol miktarda solunabilir havaya ve itici gaza duyulan ihtiyaç olan çok sayıda zorluğu beraberinde getiriyor. Her ikisi de elektromanyetik alanların suya uygulandığı elektroliz yoluyla üretilebilir (H₂O) oksijen gazı oluşturmak için (O₂) ve sıvı hidrojen (LH₂).

Mars’ın yüzeyinde bunu mümkün kılan bol miktarda su buzu birikintisi bulunurken, mevcut teknolojik çözümler uzay araştırmaları için gereken güvenilirlik ve verimlilik seviyelerinin altında kalıyor. Neyse ki Georgia Tech’ten bir araştırma ekibi önerilen Birden fazla işlevi hareketli parça içermeyen bir sistemde birleştiren bir “Mars Transferinde Hidrojen ve Oksijen Üretimi için Manyetohidrodinamik Tahrik”. Bu sistem, uzay aracının itiş gücünde devrim yaratabilir ve NASA’nın Yenilikçi Gelişmiş Konseptler (NIAC) programı tarafından Aşama I geliştirmesi için seçildi.

Teklif, Georgia Teknoloji Enstitüsü’nde yardımcı doçent olan Alvaro Romero-Calvo ve Georgia Tech Research Corporation’dan (GTRC) meslektaşlarından geliyor. Sistem, herhangi bir hareketli parça olmadan elektriksel olarak iletken sıvıyı (bu durumda su) hızlandırmak için elektromanyetik alanlara dayanan bir manyetohidrodinamik (MHD) elektrolitik hücre kullanır. Bu, sistemin yerçekimsiz ortamda oksijen ve hidrojen gazını çıkarmasına ve ayırmasına olanak tanıyarak, basınçlı su devridaimine ve ilgili ekipmana (yani pompalar veya santrifüjler) olan ihtiyacı ortadan kaldırır.

Düşük yer çekimi bilimi, akışkanlar mekaniği ve manyetohidrodinamik alanında uzman olan Romero-Calvo ve ekibi, MHD sistemlerinin uzay uçuşlarındaki uygulamalarını araştırmak için uzun yıllar harcadı. Konseptin fizibilitesini ve uygun bir oksijen üretim mimarisine entegrasyonunu değerlendirmek için özel bir çalışmaya duyulan ihtiyaç, sonuçta tekliflerini motive etti. Önceki bir çalışmada, Romero-Calvo ve ortak yazar Dr. Katharina Brinkert (Warwick Üniversitesi’nde Kimya profesörü), yerinde toplanan suyun aracın fırlatma kütlelerini nasıl azaltacağını kaydetti.

Bununla birlikte, bu tür makineleri mikro yerçekiminde çalıştırmanın, çoğu güncel araştırma tarafından ele alınmayan birçok bilinmeyeni ortaya çıkardığını da belirttiler. Özellikle, mikro yerçekiminde kaldırma kuvvetinin yokluğunun, geleneksel olarak cebri su devridaim döngüleri kullanılarak ele alınan oksijen ve hidrojen kabarcıklarını ayırma ve toplama ihtiyacı gibi büyük teknik zorluklara yol açtığını vurguladılar. Ancak bunun, birden fazla öğeden ve hareketli parçalardan oluşan, karmaşık, verimsiz ve uzayda güvenilmez olan sıvı yönetim cihazlarına yol açtığını savundular. Romero-Calvo’nun yakın tarihli bir Georgia Tech haber bülteninde açıkladığı gibi:

“Sıvı pompalamak için MHD güçlerini kullanma fikri, MHD sürücüsüyle çalışan gizli bir Sovyet denizaltısının Amerika Birleşik Devletleri’ne kaçtığı 1990 yapımı gerilim filmi The Hunt for Red Oct’ta ele alındı. Sean Connery’nin Sovyet denizaltı komutanı, gerçek şu ki denizaltı MHD itiş gücü çok verimsiz. Bizim konseptimiz ise tam tersine, zayıf MHD kuvvetinin baskın hale geldiği ve görevi kolaylaştıran yeteneklere yol açabileceği mikro yerçekimi ortamında çalışıyor.”

Önerilen MHD sistemi, geleneksel devridaim döngüleri yerine, oksijen ve hidrojeni sudan ayırmak için iki farklı mekanizmaya dayanıyor. Birincisi, güçlü manyetik alanların varlığında ortaya çıkan ve manyetik kaldırma kuvveti etkisine neden olan diyamanyetik kuvvetlerden gelir. İkincisi, iki elektrot arasında üretilen akıma manyetik alanın uygulanmasının bir sonucu olan Lorentz kuvvetleri vardır. Romero-Calvo’nun teklif belgesinde belirttiği gibi:

“Her iki yaklaşım da potansiyel olarak minimum sayıda hareketli parçası olan veya hiç hareketli parçası olmayan yeni nesil elektrolitik hücrelere yol açabilir, dolayısıyla minimum kütle ve güç cezalarıyla insan derin uzay operasyonlarına olanak sağlayabilir. Ön tahminler, işlevlerin entegrasyonunun kütle bütçesinde %50’ye kadar azalmaya yol açtığını gösteriyor %99 güvenilirlik seviyesi için Oksijen Üretim Düzeneği mimarisine göre. Bu değerler, günde 3,36 kg oksijen tüketimiyle standart dört mürettebatlı Mars transferi için geçerlidir.”

Başarılı olması durumunda, bu HMD sistemi uzun vadeli uzay yolculuğunda su ve oksijen gazının geri dönüşümünü mümkün kılacaktır. Georgia Tech’teki Daniel Guggenheim Havacılık ve Uzay Mühendisliği Okulu’ndan Romero-Calvo ve diğer meslektaşları, başka bir makalede bu teknolojinin su bazlı SmallSat tahrik sistemi ve ISRU’nun zorunlu olduğu diğer görev profilleri için de uygulamalara sahip olabileceğini gösterdi. Şu anda Romero-Calvo ve meslektaşları konsepti formüle etmiş ve analitik ve sayısal modeller geliştirmişlerdir.

Bir sonraki adım, ekibin ve onların Giner Labs’deki (Massachusetts merkezli bir elektrokimyasal Ar-Ge firması) ortaklarının fizibilite çalışmaları yürütmesini içerecek. Önümüzdeki dokuz ay boyunca sistemin genel yaşayabilirliğini ve teknolojiye hazırlık düzeyini araştırmak için 175.000 dolar alacaklar. Bunlar öncelikle hesaplamalı çalışmalardan oluşacak, ancak Dünya’daki önemli teknolojileri test eden prototipleri de içerecek. Aşama I teklifi olarak, iki yıllık bir çalışma için 600.000 ABD Doları değerindeki Aşama II finansmanı için de yarışmaya hak kazanacaklar.

Bu teknolojinin ilk örneklerinden biri, 19 Aralık 2023’te mürettebatsız olarak başlatılan New Sheperd’ın (NS-24) 24. uçuşunda test edildi. Blue Origin ve Amerikan Yerçekimi ve Uzay Araştırmaları Derneği’nin (ASGSR) desteğiyle. Romero-Calvo’nun ekibi, mikro yerçekimi koşullarında mıknatısların suyu nasıl elektrolizlediğini test etti. Bu uçuştan ve gelecek testlerden elde edilen veriler, bir HMD elektrolizör prototipi için bilgi sağlayacak ve gelecekteki uzay görevlerine entegre bir sistemin yolunu açabilecek. Romero-Calvo şöyle dedi:

Romero-Calvo, “Uzay uçuşu koşullarında su elektrolizörlerine manyetik alan uyguladığımızda ortaya çıkan temel manyetohidrodinamik akış rejimlerini inceliyorduk.” diye açıkladı. “Mavi Köken deneyi, Prof. Katharina Brinkert’in Warwick Üniversitesi’ndeki grubuyla yaptığımız mevcut işbirliğiyle birlikte, mikro yerçekimindeki oksijen kabarcıklarının hareketini tahmin etmemize yardımcı olacak ve insanlar için gelecekte nasıl bir su elektrolizörü yapabileceğimize dair ipuçları verecek. “