Parker Güneş Sondası Güneş'e Çok Yakın Olmasına Rağmen Nasıl Erimiyor?

NASA'nın 12 Ağustos 2018'de Güneş'e göndermiş olduğu Parker Güneş Sondası (Parker Solar Probe) Yunan mitolojisinde balmumundan yapılmış kanatlarla Güneş'e "çok yakın uçan" deli cesaretine sahip Ikarus'u akıllara getirir. Hikayenin sonu ise malumdur: Balmumu kanatlar erir ve Ikarus, belki akıldan yoksun cesaretin, belki de tevazu sahibi olamamasının getirdiği acı sonla karşılaşarak ölür. Ancak modern bilimin öncülüğünde ve akilane çözümlerle geliştirilmiş olan Parker Güneş Sondası (PGS), Güneş'e dokunacak kadar yakın olmasına rağmen Ikarus'un kanatları aksine nasıl erimemeyi başarmaktadır?

Parker Güneş Sondası'nın Isı Direnci Ardındaki Fizik

PGS'nin ve içindeki araçların nasıl eriyip gitmediğini anlamanın en birincil yolu sıcaklık (temperature) ve ısı (heat) kavramlarını anlamaktan geçmektedir. Yaygın kanının aksine yüksek sıcaklık, illâ ki kendinden başka bir nesneye ısı vermek anlamına gelmemektedir. Diğer bir ifadeyle uzaydaki bir sıcaklık, bir diğer nesneye yüksek miktarlarda ısı vermeden, veyahut o nesne "sıcak" olarak hissedilmeden de binlerce derecede olabilir. Peki bu nasıl mümkün olabilir? Öncelikle, "sıcaklık" ve "ısı" kavramlarına bir bakalım:

Sıcaklık, kabaca, parçacıkların ne kadar hızlı hareket ettiğini ölçer. Sıcaklık, bir ölçüm birimidir ve bir cismin sahip olduğu enerji miktarını, herkesin bildiği bir referans noktası ile karşılaştırmakta kullanılır (santigrat derecede kullanılan buzun erime noktası gibi). En basit hali ile ısı ise, atom gibi bir parçacığın titreşmesini sağlayan enerjidir. Bu enerji; kondüksiyon ile (dokunma yoluyla), konveksiyon ile (aracı bir akışkan yoluyla) ya da radyasyon ile (radyoaktif yayınım yoluyla) diğer parçacıklara aktarılabilir.

Uzay neredeyse boş olduğu için, enerjiyi uzay aracına iletecek çok az parçacık var demektir. Bu nedenle ısı transfer yöntemlerinden ikisi (kondüksiyon ve konveksiyon) işlevsiz durumdadır. Dolayısıyla uzay aracına ısı aktarımı yalnızca radyasyon yoluyla olacaktır. İşte PGS için geliştirilen ısı kalkanının öncelikli amacı, radyasyon ile aktarılacak ısıyı engellemektir.

Parker Solar Probe/NASA and Naval Research Laboratory

PGS'nin durumunda ise, sondanın içinden geçtiği ve Güneş atmosferinin en dış katmanı olan korona, aşırı yüksek sıcaklığa sahip, yani buradaki parçacıklar hızlı hareket ediyor; ama bu bölge oldukça düşük yoğunluğa sahip, yani belirli bir hacimde çok az sayıda parçacık bulunuyor. Diğer bir deyişle, koronadaki az sayıdaki parçacık fazla enerji transferi yapamayıp, etrafa oldukça düşük ısı yaymaktadır.

Bu durumu bir örnekle hayal edebilirsiniz (bunu gerçekte lütfen denemeyiniz!): Önce, elinizi sıcak bir fırının içine koyduğunuzu; daha sonra da elinizi kaynar suyun içine daldırdığınızı hayal edin. Kaynar suya nazaran, eliniz fırının içindeyken çok yüksek bir sıcaklığa daha uzunca bir süre dayanabilir. Bunun sebebi, çok sıcak olan suyun içindeyken elinizin çok daha fazla sayıda parçacıkla temas etmesidir. Benzer şekilde, Güneş'in görülebilir yüzeyine kıyasla, korona çok daha az yoğunluktadır ve bu yüzden uzay aracı çok daha az sayıda parçacıkla karşılaşacağından fazla miktarda ısı almayacaktır. Bu şu anlama gelmektedir: Sıcaklığı birkaç milyon dereceyle ölçülen bir uzay bölgesinden geçerken, PGS'nin Güneş'e dönük olan ısı kalkanı yüzeyi, yaklaşık olarak sadece 1,400°C'ye kadar ısınacak; koronanın ısı rüzgarından uzakta "gölgede" kalan arka kısımlar ise görece soğuk 29,4°C olacaktır. "Sadece" diyoruz; çünkü 1400 santigrat derece baş edilemeyecek bir sıcaklık değil.

Bunun bir diğer sonucu, astronotların uzayda sadece astronot kıyafeti ile yürüyüş yapabilmesidir. Güneş, bu kıyafetleri yakıp kavurmamaktadır; çünkü radyasyonun sağlayabildiği ısı transferi oldukça sınırlıdır. Astronot kıyafetini çıkaracak olsalar yanarlardı, çünkü derimiz yüzlerce derece sıcaklığa dayanamaz ve UV ışınları deri hücrelerimize ve DNA'mıza hasar vermektedir.

Isı Kalkanı Malzemesi: Karbon Köpüklü "Sandviç"

Elbette, binlerce derecelik sıcaklıklar muazzam derecede ısı enerjisi ihtiva eder. Enerjinin aktarımının çeşitli yollar ile kısıtlanması gerekir. Bu büyüklükteki sıcaklıklara dayanabilmesi için PGS'nin bir ısı kalkanına ihtiyacı vardır.

Bu kalkan düşük yoğunlukta ısı iletimi zayıf malzemelerden oluşmaktadır. Bu ısı kalkanının ön ve arka panelleri iki karbon plaka arasına sıkıştırılmış karbon köpükten yapılmıştır. Tıpkı bir sandviç gibi! Karbon köpük yaklaşık %97 oranında boşluklu bir yapıdan oluştuğu için hafif ama oldukça dayanıklı bir yapıya sahiptir. Karbon plakaların Güneş'i gören dış yüzeyi ise beyaz renkli seramik ile kaplandığından ısıyı mümkün olduğu kadar yansıtabilmektedir.

Greg Stanley / Office of Communications (Phys.org)

Parker Güneş Sondasının Akıllı "Şemsiyesi"

PGS'nin hedefine doğru sapmadan ilerleyebilmesi ve aynı zamanda teçhizatını yüksek derecelerden koruyabilmesi için yönlendirilmesi gerekir. Ancak bunu, NASA'da elinde kumandasıyla çalışan birinin yaptığını sanıyorsanız yanılıyorsunuz.

Tıpkı yazın başımıza güneş geçmesin diye plaj şemsiyesinin başlığını ayarlayan bizler gibi, PGS de hem içindeki ekipmanlarını güvende ve serin tutmak, hem de doğru yönde ilerleyebilmek için ısı kalkanını ayarlamak zorundadır. Bunun için, gölgede kalan kısımlardaki sensörlerinden faydalanır. Titanyum-zirkonyum-molibden alaşımından yapılma bu sensörler, yaklaşık 2,349 santigrat derecelik erime noktasına sahip olduğundan ısıya oldukça dayanıklıdır. Eğer bu alıcılar Güneş ışığını algılarsa, aracın içindeki otonom yazılıma sahip merkezi bilgisayara derhal uyarı gönderir ve böylelikle araç konumunu kendisi ayarlayabilir.

Bunu şöyle düşünün: Bir arkadaşınız size parlak bir ışık tutuyor ve bu ışıktan korunmak için ona bir şemsiye açıyorsunuz. Sonra bir yönde yürümeye başlıyorsunuz. Siz yürüdükçe, şemsiye fenerin hizasından çıkmaya başlıyor, dolayısıyla ışık size vurmaya başlıyor. Hemen vücudunuzu bir miktar döndürerek, şemsiyeyi tekrar fener doğrultusunda hizalıyorsunuz. Böylece arkadaşınıza hangi açıdan yaklaşırsanız yaklaşın, şemsiye her zaman fenere doğru dönüyor ve kalkan görevi görüyor.

Aracın İçindeki Soğutucu "Damarlar"

Enerjisini Güneş'ten alan bir aracın Güneş panellerini aşırı ısınmadan koruması da elzemdir. Isı kalkanının gölgede kalan kısımları arkasında bulunan Güneş panellerinin şaşılacak derecede basit bir soğutma sistemi bulunmaktadır: Gölgede olmasına rağmen yine de belli miktarlarda ısınan yaklaşık 3,7 litrelik iyondan arındırılmış su, soğutulmak üzere pompalar vasıtasıyla radyatörlere gönderilir ve çevrim bu şekilde devam eder.

Bu ısı devridaimi, bir nevi, vücudumuzdaki kan akışı gibidir. Aracın maruz kaldığı sıcaklık 125°C'ye kadar çıkabildiğinden, su tazyikli hale getirilerek kaynama noktasının 125°C'nin üzerinde olması sağlanır. Soğutucu yüzeyi maksimum hale getirmek için ise alüminyum ızgaralar kullanılmaktadır.

Temel fizik, malzeme bilimi ve bilgisayar bilimi gibi farklı disiplinlerin bir araya gelerek yarattığı Parker Güneş Sondasının, 7 sene sonra Güneş yüzeyinin yaklaşık 6 milyon kilometre ötesine kadar gelmesi planlanmıştır. Bu mesafenin, Güneş ile Merkür arasındaki uzaklığın sekizde birinden daha yakın bir mesafe olduğu göz önünde bulundurulduğunda, modern bilimin Ikarus'u adeta Güneş'e "dokunacak"tır!