Giriş
1950’de
Amerikada Dr.Bertam C. Blanke önderliğinde geliştirilen Radyoizotop
Termoelektrik Jeneratörler (RTG), Güneş
sisteminin sırlarını keşfetmemizi sağlayan en büyük yardımcı teknolojilerden
biridir. Oldukça sağlam ve bulundurdukları yakıtı yüzlerce yıl boyunca muhafaza
edecek şekilde tasarlanan RTG’lerin çalışma prensipleri nükleer teknolojiler
göz önüne alındığında çok basittir. RTG'lerde Plütonyum (Pu-238)
kullanılmaktadır. Ana bölmeye uzun
yarı-ömrü ve yüksek enerji salınımı olan Pu-238 (yarı ömrü:87.7 yıl) benzeri
bir yakıt yerleştirilir. Pu-238 yüksek sıcaklıklarda kararlıdır, bir
kağıdınkine eşdeğer minimum korumayı gerektirir ve düşük radyoaktivite
seviyeleri nedeniyle çevredeki cihazlar ve ekipmanlar etkilenmemektedir.
Plütonyum seramik bir formdadır (Şekil.1)
ve katı madde parçalarına ayrılır. Katı hali, gaz halindeki maddeye tercih
edilmektedir çünkü kaza durumunda insanlara ve çevreye zarar verme riskini daha
azaltır. Pu-238'in emisyonları alfa parçacıklarından oluşur. Pu-238 emisyonları
bağlamında alfa parçacıkları insan dokusuna zarar vermez çünkü cilt
hücrelerinin dış tabakalarına nüfuz etmezler [1]. Yakıtın yarı-ömrünün yüksek
olması, sahip olduğu kütleye kıyasla yüksek enerji elde etmesi ve yaydığı
radyasyon türünün kolaylıkla soğurulup kalkanlanabilen alfa ve beta
parçacıklarından oluşması esas alınmaktadır. Böylelikle bölme içindeki yakıt
hem dışarı radyasyon saçmamakta, hem de uzun yıllar enerji üretebilmektedir. Bu
bölmenin iki tarafında bulunan ısıl-çift aygıtları, nükleer yakıtın bozunumu
sonucu ortaya çıkan ısı enerjisinden elektrik enerjisi üretirler. Bir RTG'de,
radyoizotop yakıt ısılçift kontaklarından birini ısıtırken diğer kontak
ısıtılmadan kalır ve uzay ortamı veya gezegenli bir atmosfer tarafından
soğutulur. Böylelikle Pu-238 kullanan
bir RTG her yıl 0.5%-0.78% arası bir güç kaybı ile onlarca yıl güç
sağlayabilir. Aşınabilen hareketli parçaları olmadığından, RTG'ler oldukça
güvenilir bir güç seçeneğidir. Fırlatılışlarından yaklaşık 40 yıl sonra Voyager
sondaları bu sayede temel enstrümanlarını çalışır tutarak bize hala veri
göndermeye devam etmektedirler. Aygıt yakıtı 870 yıl boyunca güvenle muhafaza
edecek şekilde tasarlandığından ve bu süre zarfında radyoaktivitesi
azalacağından dolayı herhangi bir riski de yoktur. RTG’ler tarafından üretilen
ısı, bir yakıtı ısıtıp hızlandırarak itki elde etmekte de kullanılabilir. Bu
fikir üzerinde yapılan çalışmalar Rover projesi ve nükleer termal roketlere
esin kaynağı olmuştur [2]. Nükleer enerji, 1961'den beri uzay araçlarını
güçlendirmek için kullanılmaktadır. ABD Deniz Kuvvetleri, Transit 4A navigasyon
uydusunu çalıştırmak için ilk kez RTG kullanmıştır. Günümüzde, RTG'ler,
Voyagers 1 ve 2 adlı uzay araçlarında bulunmaktadır. Bir RTG, uzayda güneşe
güvenilmediği durumlarda (güneşten çok uzakta veya gezegenlerin karanlık
tarafında) uzay aracına enerji sağlamak için oldukça uygundur. Eski Sovyet
Sosyalist Cumhuriyetler Birliği – SSCB yönetimleri sırasında iyonlayıcı
radyasyon RTG teknolojileri çok uzak bölgelerde kurulu deniz fenerleri ve
parıldayan gemi uyarı kuleleri içerisinde yol gösterici olarak kullanılmıştır.
Şimdilerde ise iyonlaştırıcı radyasyonlar yayma niteliğine sahip olan ışıklı
deniz araçları ikaz kuleleri ve gemi fenerleri terk edilmiştir. Pioneer 10,
Pioneer 11, Voyager 1, Voyager 2, Galileo, Ulysses, Cassini, New Horizons ve
Marsa gönderilen Viking 1, Viking 2, MSL Curiosity araçları güçlerini RTG güç
kaynaklarından alır.
 |
|||
Nasıl Çalışır?
Geri kalan ısı, atık ısı olarak atılır ve daha sonra uzay aracının aletlerini ısıtmak için kullanılmaktadır [3]. RTG ile ilgili dikkat çekici olan şey, ısı parçalarını hareketli parçalar olmadan faydalı elektrik haline dönüştürme yeteneğidir. Hareketli parçaların bulunmaması uzaydaki güç kaynaklarının çalışmasını basitleştirirken, Dünya yüzeyinde kullanılan geleneksel motorların Dünya atmosferi dışında bozulma olasılığı daha yüksektir.
Şekil 2.’den görüldüğü üzere, bir RTG, atomların bölünerek enerji üreten bir nükleer reaktörden farklıdır. Söz konusu radyoaktif RTG teknikleri ile temel enerji kaynağı fisyon menşeli nükleer güç santrallerinin (NGS) çalışma prensipleri birbirinden çok farklıdır. Gerçekte baz yük kaynağı fisyona dayalı uranyum ve toryum kökenli nükleer elektrik reaktörleri sayesinde yaklaşık %80 verimli endüstriyel amaçlı muazzam bir güç elde edilmektedir. NGS elektrik üretimleri sayesinde geniş alanlara yayılan pek çok mega kentin her birinin tüm güç ihtiyacı da aynı anda karşılanabilmektedir. RTG teknolojisi ise günümüzde yeni nesil atomik piller ve bir tür çok uzun ömürlü nükleer bataryalar sınıfında değerlendirilmektedir. 600 gram Plütonyum dioksit içeren bir Genel Amaçlı Isı Kaynağı modülü (GPHS)250 watt termal güç üreterek, dönüştürücüyü ısı ile besler.
Gelecek ve Plütonyum:
Pu-238
ile ilgili asıl endişe tedariğinin sınırlı olmasıdır. Pu-239'un aksine, Pu-238
silah sınıfı olmadığından büyük miktarlarda üretilmemiştir. ABD Enerji
Bakanlığı 1980'lerin sonunda reaktörlerini kapattığında, yerli Pu-238 üretimini
2013 yılında durmuştur. ABD, o zamandan beri robot uzay araçları için Plütonyum
pilleri Rusya Federasyonu’ndan ithal edilmektedir [4]. Halen 2022 yılına kadar
sürecek yeterli Pu-238 vardır. ABD, Pu-238 üretimine devam etmezse NASA,
Mars'ın ötesinde güneş sistemini keşfedemeyecektir [5]. Pu-238 Voyager,
Curiosity ve New Horizons isimli projelerde kullanılmaya devam edilmektedir,
ancak Space News’ten gelen yeni bir habere göre, yalnızca üç tane daha pil
yapmaya yetecek kadar stok kalmış durumdadır [6]. RTG’lerde kullanılan Pu-238
böyle verimli olmasına rağmen oldukça pahalı ve üretimi zordur. Bizzat nükleer
reaktörlerde üretilmektedir. Amerika’da üretimi 1988’de durmuştur ve ABD 1993’den
beri Rusya’dan ithal edilmektedir. Ancak son yıllarda Rusya’nın da stokları
azalmıştır. Şu anda NASA’nın sivil görevlere ayrılan stokları 2020’de Marsa
gidecek yeni bir yüzey aracı ve 2024’te fırlatılacak ayrı bir görev için
yetecek kadardır. Bu sebeple NASA önümüzdeki yıllarda daha fazla yakıt üretmek
için eski reaktörleri açmayı planlamaktadır.
İnsansız
Cassini uzay aracı 33 kg Pu-238 nükleer yakıtı ile Satürn gezegenine
gönderilmiştir. Bugün Cassini ile her gün Satürn sisteminin yeni bir sırrını
öğreniyorsak bunu araca yerleştirilen plütonyum ile çalışan RTG’lere borçluyuz.
Uzayda nükleer enerji kullanımı, uzay çalışmalarının ufkunu genişletmiş ve
Güneş panellerinin verimsiz kaldığı durumlarda dahi uzun süreler görev
yapılmasını mümkün hale getirmiştir. Örneğin Voyager-1, sahip olduğu RTG güç
kaynağının kalbindeki Pu238 sayesinde 2025’e kadar aktif olarak çalışacaktır. Amerika,
1961 yılından beri 27 adet 4 uzay aracı içerisinde RTG teknolojileri kullanmaktadır.
Yeni nesil güneş enerjisi depolama çalışmalarında önemli ilerlemeler
kaydedilmesine rağmen NASA hâlâ RTG jeneratörleri sistemlerine gereksinim
duymaktadır. 2015 yılında cüce gezegen Plüton’un yanından geçen olan New
Horizons’un ise en az 2030’a kadar çalışmaya devam edebileceği hesaplanmaktadır.
Nükleer enerji olmasaydı, bu derin uzay görevleri tamamen imkansız kalacaktır.
Gelecek ve Plütonyum:
Mevcut RTG modeli Çok Görevli Radyoizotop Termoelektrik Jeneratör (MMRTG)'dür [7]. Daha önce iki Viking Lander ve Pioneer 10 ve 11 uzay aracı (SNAP-19 RTG) üzerinde akan RTG türüne dayanmaktaydı. Uzayın vakumunda veya bir gezegenin atmosferi içinde kullanılmak üzere tasarlanmıştır. MMRTG'den gelen fazla ısı, soğuk ortamlarda bir uzay aracı ve aletleri için uygun çalışma sıcaklıklarını korumak için uygun ve sürekli bir sıcaklık kaynağı olarak kullanılabilmektedir. MMRTG, şu anda Kızıl Gezegeni araştıran Mars Bilim Laboratuvarı gezginine güç sağlamak için kullanılmaktadır. Bu güç kaynağının görevi, zorlu veya uzak arazilere erişimde daha fazla esneklik sağlamak, tozlu Mars ortamında ve kış mevsimi boyunca etkili bir şekilde çalışmasını sağlamak ve sistemleri için etkin çalışma sıcaklıklarını korumak ve sistemlere ısı sağlamak için seçilmiştir. MMRTG,% 6 ila %7 işletim verimliliği ile elektrik üretmektedir. Birden fazla MMRTG, enerji görevler için daha yüksek düzeyde elektrik gücü sağlamak için birleştirilebilir. Her MMRTG, nükleer yakıt olarak 10.6 pound (4.8 kilogram) Pu-238 dioksit taşır ve toplamda 110 Watt elektrik enerjisi üretmek için sekiz Genel Amaçlı Isı Kaynağı (GPHS) modülü kullanmaktadır.
Dr.Selin PIRAVADILI MUCUR
Kaynaklar
[1] R. C.
O'Brien et al., "Safe Radioisotope Thermoelectric Generators
and Heat Sources for Space Applications," J. Nucl. Mater. 377,
506 (2008).
[2] Bajracharya, Max; Mark W. Maimone; Daniel Helmick
(December 2008). "Autonomy for Mars rovers: past, present, and
future". Computer 41 (12): 45. DOI:10.1109/MC.2008.9. ISSN 0018-9162
[3] D. J.
Anderson, "NASA Radioisotope Power Conversion Technology NRA
Overview," U.S. National Aeronautics and Space Administration, NASA/TM-2005-213981, November 2005.
[4] D.
Kramer, "Shortage of Plutonium-238 Jeopardizes NASA's Planetary Science
Missions," Physics Today 64, No. 1, 24 (2011).
[5] A.
Lawler, "Technology is Essential, But It's a Tough Sell,"
Science 295, 39 (2002).
Hiç yorum yok:
Yorum Gönder