Bilim insanları, Dünya atmosferinin bugüne kadar büyük ölçüde keşfedilemeyen bir bölgesine ulaşabilmek için son derece hafif uçan yapılar geliştiriyor. Yakıt ya da elektrik motoruna ihtiyaç duymayan bu yeni araçlar, güneş ışığının oluşturduğu fotoforetik kuvvetten yararlanarak atmosferin üst katmanlarında havada süzülebiliyor.
Dünya'nın yüzlerce kilometre yukarısında uyduların bulunduğu bölge ile uçakların erişebildiği yükseklikler arasında, araştırmacıların uzun süredir ulaşmakta zorlandığı bir atmosfer katmanı bulunuyor. Yaklaşık 65 ila 85 kilometre arasındaki üst mezosfer, ne geleneksel uçakların ne de araştırma balonlarının çalışabileceği kadar düşük basınca sahip.
Şimdi geliştirilen ultra hafif yapılar, bu zorlu koşullarda uzun süre havada kalmanın yolunu açabilir. Üstelik bunu herhangi bir yakıt tüketmeden, yalnızca güneş ışığından yararlanarak yapmaları hedefleniyor.
Fotoforez: Güneş ışığıyla havada kalmak
Bu teknolojinin temelinde fotoforez adı verilen fiziksel bir olgu bulunuyor. Kelime, ışık anlamına gelen “foto” ile taşınma anlamındaki “foresis” sözcüklerinden geliyor. Basitçe ifade etmek gerekirse fotoforez, ışığın bir cisim üzerinde oluşturduğu sıcaklık farkının sonucunda ortaya çıkan kuvvetten yararlanıyor.
Araştırmacıların geliştirdiği yapılar santimetre ölçeğinde, son derece hafif ve ince malzemelerden oluşuyor. Yapıda seramik alümina ve krom kullanılıyor. İki ince zar, aralarında küçük bir hava boşluğu kalacak şekilde üst üste yerleştiriliyor. Bu iki katman, yapıyı bir arada tutan dikey bağlantılarla birbirine bağlanıyor.
Membranların üzerinde çok sayıda küçük delik bulunuyor. Bu gözenekler, yapı içerisindeki hava hareketini kolaylaştırarak oluşan kuvvetin artırılmasına yardımcı oluyor. Bu nedenle sistemdeki mekanizma termal transpirasyon olarak da tanımlanıyor.
Yapının üst yüzeyi güneş ışığını büyük ölçüde geçirirken alt yüzey ışığı emiyor. Böylece alt taraf üst tarafa göre daha fazla ısınıyor.
Ortaya çıkan sıcaklık farkı, yapıdaki gaz moleküllerinin hareketini değiştiriyor. Daha sıcak yüzeye doğru gerçekleşen bu hareket, iki yüzey arasında küçük bir basınç farkı oluşturuyor. Basınç farkı da yapıya yukarı doğru bir kuvvet uyguluyor.
Ortaya çıkan kuvvet son derece zayıf olsa da yapının ağırlığı da olağanüstü düşük olduğu için havada asılı kalmasını sağlayabiliyor.
Laboratuvar testlerinde önemli sonuç
Fotoforetik kuvvet yalnızca çok düşük hava basınçlarında etkili olabiliyor. Ancak araştırmacılar, son derece hafif malzemeler ve yeni üretim teknikleri sayesinde bu kuvvetten yararlanabilecek yapılar geliştirmeyi başardı.
Laboratuvar deneylerinde yaklaşık 1 santimetre genişliğindeki bir yapı, deniz seviyesindeki atmosfer basıncının yalnızca yüzde 0,026'sına karşılık gelen 26,7 paskal basınç altında test edildi.
Araştırmacılar, yapıyı güneş ışığının yaklaşık yüzde 55'ine karşılık gelen yoğunlukta bir lazerle aydınlattı. Deneyler, fotoforetik etkinin bu koşullarda yapıyı havada tutabilecek seviyeye ulaşabildiğini gösterdi.
Ekip ayrıca 6 santimetre çapındaki bir diskin yaklaşık 10 miligrama kadar yük taşıyabileceğini hesapladı. Bu kapasite, üzerine küçük bir güneş hücresi ve entegre devrelerden elde edilen verileri iletecek bir iletişim sistemi yerleştirilmesine olanak sağlayabilir.
Simülasyonlara göre böyle bir araç, yüküyle birlikte yaklaşık 75 kilometre yükseklikte gün boyunca havada kalabilir.
Mezosfer neden bu kadar önemli?
Geliştirilen teknoloji, atmosferin özellikle ulaşılması zor bir bölümünü araştırma imkânı sağlayabilir.
Mezosfer, stratosferin üzerinde, yaklaşık 50 kilometre yükseklikten başlayarak 80-85 kilometre civarına kadar uzanan atmosfer katmanıdır. Bunun üzerinde termosfer, daha ileride ise ekzosfer bulunur.
Mezosfer, Dünya atmosferinin adeta bir geçiş bölgesidir. Buradaki hava, uçakların kanatlarının yeterli kaldırma kuvveti oluşturabilmesi için fazla seyrek; balonların yükselmesini sağlayacak kaldırma kuvvetini üretmesi için ise fazla yoğundur.
Bu nedenle yaklaşık 65-85 kilometre arasındaki bölge uzun yıllardır doğrudan araştırılması en zor atmosfer katmanlarından biri olarak kabul ediliyor. Bu bölgeye zaman zaman “ignorosphere” yani “bilinmeyenler küresi” şeklinde esprili bir isim de veriliyor.
Daha alçak irtifalarda uçaklar görev yapabilirken, daha yükseklerde araştırma roketleri ve uydular devreye giriyor. Ancak mezosfer, bu iki yaklaşımın arasında kalan ve uzun süreli araştırmalar açısından önemli bir boşluk oluşturuyor.
Atmosferin bu katmanında sıcaklık da ciddi şekilde değişiyor. Yaklaşık 50 kilometrede sıfır derece civarında olan sıcaklık, mezopoz yakınlarında yaklaşık -90 dereceye kadar düşebiliyor.
Uzaydan Dünya'ya giren küçük gök cisimlerinin büyük bölümü de bu bölgede atmosferle yoğun şekilde etkileşime girerek yanıyor. Gökyüzünde gördüğümüz meteorların önemli bir bölümü bu süreçte ortaya çıkıyor.
Yeni araçlar hangi amaçlarla kullanılabilir?
Fotoforetik araçlar başarılı şekilde ölçeklendirilebilirse, mezosferde uzun süreli gözlem yapabilen yeni bir araştırma platformu ortaya çıkabilir.
Olası kullanım alanları arasında:
İklim ve atmosfer araştırmaları
Hava olaylarının incelenmesi
Dünya'nın gözlemlenmesi
Görünür ışığın dışındaki dalga boylarında ölçüm ve görüntüleme
İletişim sistemleri
Atmosferik parçacıkların ve kimyasal bileşimin izlenmesi, bulunuyor.
Teknolojinin yalnızca Dünya ile sınırlı kalması da gerekmiyor. Araştırmacılar, benzer prensiplerin Mars gibi ince atmosfere sahip gezegenlerde de kullanılabileceğini düşünüyor.
Mars'ın yüzeye yakın atmosferi, Dünya'nın üst atmosferiyle bazı benzer özellikler taşıyor. Atmosfer oldukça ince olsa da gaz molekülleri bulunuyor ve güneş ışığı yüzeye ulaşabiliyor. Bu nedenle fotoforetik araçlar, gelecekte Mars atmosferinde bilimsel ölçümler yapmak için de değerlendirilebilir.
Teknolojinin önünde hâlâ önemli sorular var
Laboratuvar deneyleri, prensibin çalışabileceğini gösterse de teknolojinin gerçek dünyada kullanılabilmesi için daha pek çok sorunun yanıtlanması gerekiyor.
Bunların başında üretimin ölçeklendirilmesi geliyor. Santimetre boyutundaki yapıların çok daha büyük, hatta metrelerce genişlikte üretilebilip üretilemeyeceği henüz bilinmiyor. Yapıların büyütülmesi, taşıyabilecekleri yük miktarını da önemli ölçüde artırabilir.
Bir diğer soru, araçların ne kadar süre havada kalabileceği. Güneş ışığının yoğunluğu, atmosfer koşulları ve aracın tasarımı değiştikçe performansın nasıl etkileneceğinin de belirlenmesi gerekiyor.
Ayrıca araçların yalnızca belirli bir irtifada mı kalabileceği, yoksa gerektiğinde daha yüksek veya daha alçak irtifalara çıkıp çıkamayacağı da araştırılması gereken konular arasında.
Dolayısıyla ortada henüz günlük kullanıma hazır bir uçak bulunmuyor. Şimdilik elde edilen sonuçlar, fotoforetik kaldırma kuvvetinin ultra hafif yapılarla birleştirildiğinde mezosferde yeni bir araştırma yöntemi oluşturabileceğini gösteren bir kavram kanıtı niteliğinde.
Teknolojinin arkasındaki araştırmacılar ise çalışmalarını daha ileri taşımayı hedefliyor. Rarefied Technologies adlı girişim, bu gelişmeleri temel alarak fotoforetik araçların ticari uygulamalarını geliştirmeye çalışıyor.
Başarılı olması halinde bu teknoloji, uçaklarla uydular arasındaki atmosferik boşlukta uzun süre görev yapabilen tamamen yeni bir araç sınıfının ortaya çıkmasını sağlayabilir.
