Mars'ta Nasıl Oksijen ve Su Üreteceğiz? - Kozan Demircan
Kozan Demircan | 10/06/2019 | Bilim-Teknoloji | 2 yorum
Bilim insanları yüzde 95 oranında zehirli karbondioksit içeren ve hava basıncı Dünya’nın yüzde 1’ine eşit olan kurak Mars’ta oksijen ile su üretecek özel makineler tasarladılar. Hem uzay gemileri, hem de Mars’taki astronotlar için oksijen, su ve metan yakıtı üretecek kimya reaktörleri nasıl çalışıyor?
Uzay gemisinde oksijen üretimi
Kızıl gezegen Mars yaz sıcaklarından bunalanlar için en ideal gezegen: Hem bize yakın hem de ortalama sıcaklığı -60°. 😉 Ancak, Mars’a gitme ve yerleşmenin zorluklarını aşsak bile bir de Mars’ta nasıl yaşayacağımız konusu var: Mars’ta yaşamak için gereken oksijen, su ve yakıtı nasıl üreteceğiz?
Neyse ki NASA’ya destek olmak için 25 yıldır insanlı Mars seferleri tasarlayan emekli Lockheed-Martin mühendisi ve Mars Derneği kurucusu Robert Zubrin buna bir çözüm getirdi:
METS ve WETS kimya reaktörleri, Mars atmosferindeki karbondioksiti parçalayıp hidrojen-karbon atomlarıyla birleştirerek bize gerekli su, moleküler oksijen ve metan akaryakıtını sentezleyebilirler. Ancak, bu kimyasal reaksiyonları anlatmaya geçmeden önce Mars’a sağ salim gitmemiz lazım.
Öyleyse biz de uzay gemilerinde nasıl oksijen üreteceğimizi görelim. Nitekim Caltech Üniversitesi kimya mühendisliği profesörü Konstantinos P. Giapis ve doktora sonrası burslu araştırmalar yapan Yunxi Yao, astronotların soluduğu havadaki karbondioksiti oksijene çevirmenin pratik bir yolunu buldular.
Uzay gemisinde hava temizliği
Bildiğiniz gibi insanlar oksijen soluyup ortama karbondioksit (CO2) veriyor. CO2 düşük oranlarda zehirli değil; ama uzay gemisindeki havayı temizlemezseniz astronotlar karbondioksitin artması nedeniyle zehirlenebilirler.
Öte yandan, uzaya yük çıkarmak pahalı olduğu ve Mars’a gidip dönmek de 18 ay süreceği için astronotlara gereken havanın tamamını Dünya’dan getirmemiz imkansız. Nitekim Ay’a insan taşıyan Apollo uzay araçları da kabin havasını temizleyen CO2 filtreleri kullandılar.
Caltech araştırmacıları ise hem uzay gemisindeki havayı temizleyecek, hem de astronotlara oksijen üretecek olan yepyeni bir geri dönüşüm makinesi geliştirdiler.2 Bunun için de kuyrukluyıldızlardan esinlendiler.
Kuyrukluyıldızların Güneş’e yaklaşınca buharlaşan donmuş bileşikler ve su buzu içeren uzay kayaları, yani ıslak asteroitler olduğunu belirtelim. Tabii Güneş’e yaklaşınca bunlar buharlaşıp bir gaz bulutu oluşturuyor. Güneş rüzgarı da bunu arkaya üfleyerek ünlü kuyrukluyıldız kuyruğunu yaratıyor.
Dahası kuyrukluyıldızlar uzayda moleküler oksijen, yani O2 görebileceğimiz nadir cisimlerdir. Oysa Mars’ı Dünyalaştırmak için gezegene kuyrukluyıldız çarpmak veya dev uzay gemilerinde kuyrukluyıldız taşımak şimdilik mümkün değil. Öyleyse oksijeni uzayda ve Mars’ta kendimiz üreteceğiz.
Peki bu neden önemli? Nefes almak ve su içmek için gayet önemli. Sonuçta moleküler oksijeni uzay gemileri ve Mars üslerinde depolamak çok kolay. Üstelik Dünya’da moleküler oksijen üretmek için hangi kimyasal reaksiyonu kullanacağımızı da biliyoruz. Geriye bunu ticari olarak ölçeklemek kalıyor:
Bu yöntemle kayaları ısıtarak içindeki oksijeni açığa çıkarabiliyoruz ki bu konuda da kuyrukluyıldızlardan ilham aldık. Öyleyse öncelikle kuyrukluyıldızlarda moleküler oksijenin nasıl üretildiğini görelim; çünkü uzay gemilerinde oksijen üretimi için bunun bir benzerini kullanacağız.
Uzaydaki oksijen reaktörleri
Kuyrukluyıldızların bileşikleri buharlaştıktan sonra güneş rüzgarı bu gazı uzaya üflüyor, Ancak, bu cisimler Güneş çevresinde eliptik yörüngelerde döndüğü için yıldızımıza sürekli farklı yüzlerini çeviriyor. Bu nedenle hiçbir kuyrukluyıldız sürekli olarak güneş rüzgarını tam karşısına almıyor ve rüzgara kafadan dalmıyor.
Dolayısıyla güneş rüzgarı da oksijenden başka element ve moleküller de içeren bu gaz bulutunun bir kısmını uzaya üflemek yerine, yüksek hızlı bir fırtına gibi eserek kuyrukluyıldıza geri püskürtüyor.
Kısacası gaz bulutundaki molekül ve atomlar, güneş rüzgarını oluşturan parçacıklarla çarpışıp kuyrukluyıldız yüzeyine bilardo topu gibi geri sekerek hızla yüzeye çarpıyor. Çarpışmanın şiddetiyle oksijen atomları diğer bileşiklerden ayrılıyor ve moleküler oksijen üretilmiş oluyor.
Caltech ise yapay oksijen üretti
Elbette Mars’a gidecek uzay gemilerinde Dünya havası bulunuyor. Oksijen ve azot dışında havanın en önemli bileşeni ise astronotların solurken ortama saldığı karbondioksit gazı: Caltech araştırmacıları da kuyrukluyıldızların doğal parçacık hızlandırıcısı yardımıyla moleküler oksijen üretme sürecini taklit ederek CO2 gazını parçalayıp içindeki oksijeni çekip alan bir makine inşa etti.
Caltech’in insanlı Mars uzay gemileri için geliştirdiği oksijen üretme makinesi.
Oksijen makinesi nasıl çalışıyor?
Doğrusu bu makineyi dizayn etmek hiç de kolay olmadı. Evet, karbondioksit hem Mars atmosferi, hem uzay gemisi havası, hem de kuyrukluyıldızlarda bulunuyor. Ayrıca tek oksijen atomu olan H20 formüllü su moleküllerinin tersine, birbirine daha zayıf olarak bağlanan iki oksijen atomu içeriyor.
Bu nedenle ucuza oksijen üretmek için su yerine CO2’yi parçalamak iyi bir seçim. Ancak, resimde görüldüğü gibi karbondioksit molekülü, aynı zamanda karbon atomunun iki yanına düz çizgi halinde bağlanan oksijen atomlarından oluşuyor. Dolayısıyla sorun bu atomları karbondan koparmak değil.
Asıl sorun, elde edeceğimiz serbest oksijeni ortamdan kaybolmadan önce moleküler oksijen (O2) halinde birbirine bağlayıp depolamak. Aksi takdirde ürettiğimiz oksijen çevredeki diğer atomlarla moleküllere bağlanabilir, onları oksitleyebilir ve astronotlar da solumak için serbest oksijen üretememiş olurlar. Nitekim Mars atmosferindeki oksijeni bu yüzden kaybetti:
Mars’ta oksijen kaybı
Biz de bu yüzden Mars’ta aynı sorunu yaşayacağız: Örneğin, eskiden Mars’ın kalın bir atmosferi vardı ve kızıl gezegen yüzeyinde sıvı su tutabiliyordu. Atmosfer incelip su buharlaşınca su molekülleri de Güneş’in morötesi ışınları ve güneş rüzgarının etkisiyle parçalandı.
Hafif hidrojen atomları zayıf Mars yerçekiminden kurtularak uzaya kaçtı. 8 proton içeren ağır oksijen atomları ise Mars yüzeyine çöktü ve kayalardaki demiri oksitleyerek bütün gezegeni paslandırdı. Kızıl gezegen takma adını buradan aldı.
Özetle sizi şaşırtabilir ama Mars’ta oksijen var; ancak atmosferde bulunmuyor ve olan oksijeni çıkarmak için de toprağı kazıp ısıtarak oksijeni tekrar serbest bırakmak gerekiyor. Oksijen üretim makineleri işte bunu yapacak; fakat aynı zamanda oksijeni atomlarını birbirine bağlayıp yeniden ziyan olmasını önleyerek moleküler oksijen (O2) üretecekler.
Caltech oksijen sorununu nasıl çözdü?
Bilim insanları karbondioksit gazını ince bir altın plakaya hızla üfleyerek çarptılar (kuyrukluyıldızlarda oksijenin diğer bileşiklerden ayrışmasını taklit ettikleri nokta bu). Tabii altın oksijen atomu içermediği ve oksitlenmediği için CO2 moleküllerinin parçalanmasıyla açığa çıkan oksijenin de altınla birleşmesi mümkün olmadı. Ayrıca oksijen çok reaktif olduğu için hemen diğer oksijen atomlarıyla bağlanarak moleküler oksijen üretti. Mars’a gidecek uzay gemilerinde oksijen üretimi sorunu böylece çözüldü.
Gelelim Mars’ta oksijen üretmeye
Caltech çözümü sadece uzay gemilerinde astronotların ihtiyacı olan oksijeni üretmek için tasarlandığından Mars’ta yaşayacak insanlar için uygun değil. Ayrıca sadece karbondioksitten oksijen üretebiliyor. Oysa Mars’taki insanların içme suyu ve metan yakıtına da ihtiyacı olacak.
İçme suyu turfanda meyve sebze yetiştirilen seraları sulamakta ve temizlik amacıyla da kullanılacak. Su aynı zamanda çeşitli ürünlerin imal edilmesinde işe yarayacak. Metan akaryakıtı ise Mars roketlerinin Dünya’ya geri dönmesini kolaylaştıracak; çünkü dönüş yakıtını Dünya’dan getirmeye gerek kalmayacak.
Mars’ta metanın faydaları say say bitmez: Metan ısınma amacıyla ve doğal gaz enerji santrallerinde kullanılacak. Bunun dışında Mars’taki kara taşıtlarını ve belki de insanlı Mars hava araçlarını uçuracak. Örneğin, Mars’ta bir yere inen insanlar diğer yerlere roketle gitmek yerine Mars uçakları ve helikopterleriyle gidebilecekler ki buna Mars’ı araştıracak keşif dronları da dahildir.
Metan Dünya’da ölümcül küresel ısınmaya yol açsa da kızıl gezegende çok işe yarayacak ve karbondioksitten 28 kat etkili bir sera gazı olarak Mars’ı ısıtıp Dünyalaştırmakta kullanılacak. Robert Zubrin işte bu yüzden Mars’ta oksijen, su ve metan üretecek olan iki makine geliştirdi.
İnsanlar bir gün Mars’a yerleşirse bunu öncelikle iki kişiye borçlu olacaklar: Robert Zubrin’in teknik altyapısına ve Elon Musk’ın SpaceX şirketine. İkincisini yeteri kadar anlattık ama birincisini pek tanımıyorsunuz. Öyleyse Zubrin’den biraz söz edelim ve neden Mars’ta oksijen üretecek makineler tasarlamakta çok yetenekli olduğunu görelim:
9 Nisan 1952 doğumlu Robert Zubrin, Pioneer Astronautics ve Pioneer Energy şirketlerinin kurucusu, Mars Derneği Kurucusu & Başkanı ve İngiliz Gezegenlerarası Derneği üyesidir. Aynı zamanda üç diploması olan Zubrin, Rochester Üniversitesi matematik bölümü ile Washington Üniversitesi Nükleer Mühendislik & Havacılık ve Uzay Mühendisliği bölümlerinden mezundur.
Biz de kendisini 1996 tarihli Mars Davası (The Case for Mars) kitabından tanıyoruz. Zubrin orada ABD’nin Mars’a gitmeye pek niyeti olmadığını, yurttaşları oyaladığını ve devlete sırtını dayamış şirketlere para kazandırmak yerine, gerçekten Mars’a gitmek istersek bunu sadece 10 yılda 30 milyar dolara yapabileceğimizi söylüyor.
10 yıl Mars’a güvenle insan göndermek için kısa bir süre olabilir; ama 30 milyar dolar konusunda çok haklı ve ben de Zubrin’in Mars seferi planlarını Orion ile Mars çağı başlıyor yazısında anlatmıştım. Öte yandan, Mars’a 400 milyar dolar yerine 30 milyara insan gönderebilecek olmamızın bir sebebi de Zubrin’in, Mars’ta oksijen üreterek astronotlar için geri dönüşümü kolaylaştıran oksijen makineleridir:
Mars’ı Mümkün Kılan Teknoloji Sistemi
Mars’a Yerleşmeyi Mümkün Kılan Teknoloji Sistemi (METS) ve Su Çıkaran Termal Sistem (WETS), Zubrin ve meslektaşları tarafından Mars’ta yaşamak için tasarlandı. Bu sistemde bir metan, oksijen ve su üretim makinesi bağlı buluyor. Bu makineler oksijen üretimde Mars toprağını (regolit) ve Mars atmosferindeki karbondioksiti ham madde olarak kullanacaklar.
METS’te robot dozerler Mars toprağını kazacak ve kazana koyacak. Ardından atmosferden çekip ısıtılan sıcak karbondioksit gazı, bu kez toprağı ısıtarak su buharı çıkaracak ve bunu ayrı bir kapta yoğuşturacak. METS ve WETS bunun için kullandığı enerjiden daha fazla su, oksijen ve yakıt üretecek.
Peki bu verimli geri dönüşüm nasıl olacak derseniz: Toprağı ısıtmakta kullanılan CO2 gazı, kendisini ısıtan ısıtıcıya geri pompalanacak ve uzun vadede çok az gaz kaybıyla tekrar tekrar kullanılacak. CO2 eksildikçe Mars atmosferinden tazelenecek.
Bu noktada Mars kolonilerinin su ihtiyacı ve su ekonomisi devreye girecek: suyun bir kısmını içme suyu olarak saklayacaklar. Geri kalanını ise elektroliz yöntemiyle parçalayacaklar. Suya elektrik vererek H2O’yu hidrojen ve oksijen atomlarına ayıracaklar. Oksijeni sıvılaştırıp etkili bir şekilde depolayacaklar. Suyu parçalayarak elde ettikleri hidrojeni ise yakıt üretiminde kullanacaklar.
Mars’ta üretilecek hidrojen öncelikle insanların yerleşeceği uygun mekanları bulmak ve bilimsel araştırmalar için keşfe çıkmak üzere üretilen dronların güç kaynağı olan hidrojen yakıt hücrelerinde yakıt olarak kullanılacak. Dahası bunlar atık olarak su üretecekler ve bu suyu geri kazanmak da mümkün olacak. Zaten dronların yakıt pilleri pek az hidrojene gerek duyacak.
Hidrojenin büyük kısmı ise karbondioksitle birleştirilecek. Bunun için kullanılan Sabatier reaktörü ile hem metan gazı (CH4) hem de içme suyu üretebileceğiz. Gördüğünüz gibi METS ile WETS (Edi’yle Büdü?) oksijen, hidrojen ve CO2’yi geri kazanmak üzere tasarlanmış bulunuyor. 😀
Mühendis arkadaşlar için METS ve WETS akış şeması: Mars’ta oksijen, hidrojen, metan ve su üretme döngüsü. Büyütmek için tıklayın.
Su çıkaran WETS’i çalıştırmak
Taşıma suyla değirmen dönmez ve bu değirmenin suyunun bir yerden gelmesi lazım. 🙂 WETS’in Mars toprağını ısıtıp su çıkarması için gereken enerji de başka kaynaklardan sağlanacak: Öncelikle Mars’ta güneş panelleri ile elektrik üretilecek.
Ancak, hem panel masrafları, hem Mars göğünde küçücük görünen soluk Güneş’in düşük enerji sağlaması, hem de panellerin sık sık tozla kaplanması, Mars’ta güneş enerjisini daha çok ilk insanlı üsler ve acil durum güç kaynağı olarak kullanılmak üzere sınırlandırıyor.
Mars’taki ana enerji kaynağının ise NASA’nın Kilopower tasarımı gibi küçük ve verimli nükleer reaktörler olması bekleniyor. Böylece METS’in üreteceği metan gazını güneş enerjisiyle birlikte yedek güç jeneratörlerinde kullanmış olacağız.
Sonuç olarak WETS’i METS ile çalıştırmadığımız için ürettiğimiz metan ziyan olmayacak ki WETS’in, su buzu içeren toprağı ısıtıp buhar elde etmesi için 300 derece sıcaklığa (fırın sıcaklığı) erişmesi yeterli olacak.
WETS’in ürettiği su buharı yağmur bulutlarının oluşumuna benzer şekilde çalışan bir yoğuşturucuda 0 derecede soğutulacak. Böylece WETS suyu sıvı halde toplayacak. Mühendis arkadaşların seveceği şekilde anlatırsak sisteme eklenen ısı değiştirici, yoğuşturucuya giren ve çıkan gaz akışı arasında ısı değişimi sağlayacak.
Böylece yoğuşturucunun ısı yükünü azaltacak ve karbondioksitin soğumasını geciktirerek yeniden ısıtmaya bağlı enerji maliyetini azaltacak. Gerisini tahmin edersiniz: Yoğuşturucudan çıkan CO2 bir pompa ile sisteme geri pompalanacak.
Hatta gaz baypas sistemi, gerekirse CO2’nin yoğuşturucuya hiç girmeden ısıtıcıya geri dönmesine izin verecek. Bu da WETS’in ilk çalıştırmadaki enerji tüketimini azaltacak. Zubrin bu makineyi ve diğer Mars teknolojilerini geliştirmek için 1996’da Pioneer Astronautics şirketini kurdu.
Metan Oksijen Üreticisi
Kısa adıyla MOP suyla karbondioksitten oksijenle metan üretmek için Sabatier/Elektroliz döngüsünü kullanıyor ve bu sistem ilk kez 1976 yılında Ash, Dowler ile Varsi tarafından önerilmiş bulunuyor. Ancak, MOP’u Martin Marietta şirketi için 1993’te hayata geçiren kişi Zubrin’dir.
MOP’un güncel versiyonu ise 1994 yılından bu yana Clark ve Zubrin’e destek olan Lockheed Martin ile Pioneer Astronautics ekipleri tarafından geliştiriliyor. Tahmin edebileceğiniz gibi MOP yalnızca Mars astronotları için değil, uzaya yerleşecek olan bütün insanlar için çok kritik bir teknoloji sunuyor; çünkü herkesin yakıt ve oksijen üretmeye ihtiyacı bulunuyor.
MOP sisteminde Stirling döngüsü ile çalışan küçük bir derin soğutucu bulunuyor. Bu şekilde soğutulup sıvılaştırılan metan (eser miktarda argon ve azot da içerir) yakıt olarak kullanılmak üzere depolanıyor. MOP aynı zamanda su üretiyor ve WETS tarafından Mars toprağından çıkarılan suyla birlikte depolanıyor. Bu suyu elektrolizle parçalayarak Mars’ta oksijen ve hidrojen üreteceğiz.
Oksijeni de Stirling döngüsü kullanan bir derin soğutucuyla sıvılaştırarak sıvı metanla birlikte depolayacağız. Hidrojeni ise daha fazla su ve metan üretmek üzere MOP’a geri pompalayacağız. Elbette oksijeni hem nefes almak hem de metanı yakıt olarak yakmakta kullanacağız.
METS ne kadar verimli?
Yukarıda anlattığımız MOP ünitesini içeren METS günde 1 kg metan ve oksijen üretebiliyor. Siz de sistemin hem Dünya’dan Mars’a yük olarak taşınması, hem de kütle/enerji maliyetini aşağıdaki tabloda görebilirsiniz.
Kütle Ortalama Güç Üretimi
WETS 30 kg 60 W + 50 W
Mars dozeri 10 kg Minimum
MOP 50 kg 440 W
Toplam 90 kg 500 W + 50W
Mars’ı oksijen kurtaracak
Sonuç olarak metan öncelikle uzay gemilerinde geri dönüş yakıtı olarak kullanılacak; çünkü Dünya’da petrol tükeniyor ve Mars’ta petrol bulunmuyor. Bu nedenle Dünya’dan Mars’a roket yakıtı olarak sıvı hidrojen ve gazyağı (kerosen) getirmek verimli olmuyor. Elon Musk da sırf bu yüzden Mars’a insan götürecek terleyen Yıldız Gemisi’nde metan kullanmayı planlıyor.
Metan ve oksijen bir roket motorunda 3,5:1 oksitleyici/yakıt oranında yakılabilir. Böylece özgül itki üreterek roketi 375 saniye çalıştırabilir. Mars’ın yerçekimi Dünya’nın yüzde 38’ine eşit olduğu için bu güçlü yakıt Mars kalkışlarında tasarruf sağlayacak ve roketin yük kapasitesini artıracaktır (mesela rokete az yakıt ve çok yük yükleyebiliriz).
Burada metanın kerosen ve sıvı hidrojenden daha iyi yandığı tartışmasına girmeyeceğim; çünkü metanın Dünya gibi güçlü yerçekimine sahip bir gezegende bile geçerli olan ikinci büyük avantajı, depolamada hidrojenden daha iyi sıkıştırılıyor olmasıdır.
Bu da metan roketlerinin daha küçük ve hafif yakıt tankları taşıyacağı anlamına geliyor. Yakıt tankı küçülen bir roketin kendisi de küçülecektir ve biz de bu sayede Mars’a daha hafif ve ucuz roketler gönderebileceğiz.
NASA’nın Ay ve Mars’a insan göndermek için tasarladığı SLS roketi metan yaksa daha küçük ve hafif olabilirdi.
Metan ve oksijen ekonomisi
Mars’ı küresel ısınmayla ısıtıp Dünyalaştıracak metanın faydaları say say bitmez: Örneğin, Mars’ta küçük robot tanker uçakları veya robot tanker roketleri kullanabiliriz. Bunlar da insanların gideceği veya keşif dronlarının uçacağı yerlere bol miktarda yakıt taşırlar. Yere inince mobil yakıt deposu olurlar ve böylece insanların Mars’ın tamamını keşfetmesi için 30 yıl yeter.
Peki bilim insanları Mars’ta nasıl nükleer enerji üretecekler ve SpaceX şirketinin insan gibi terleyen roketi Mars’a nasıl insan gönderecek? Onu da Kilopower nükleer reaktör ve Terleyen Yıldız Gemisi yazılarında okuyabilirsiniz.
Bununla yetinmeyerek Mars’ı Dünyalaştırmanın üç yoluna bakabilir ve bunun için yeterli karbondioksit olup olmadığını görebilirsiniz. Curiosity emekli olduktan sonra Mars’ı keşfedecek olan Mars 2020 robotuna ise buradan göz atabilirsiniz. Hepinize verimli geçecek muhteşem bir hafta dilerim.
Mars’a nasıl gideceğiz? Zubrin anlatıyor
1Closing the Loop: Recycling Water and Air in Space
2Direct dioxygen evolution in collisions of carbon dioxide with surfaces
3The Mars enabling technology system
Ersan Karaoğlu	 20/07/2019 Cevapla
Mars’a kızıllığını veren oksijenin varlığı, Dünya’nın jeolojik tarihiyle paralellik kurulduğunda, geçmişteki ya da süregelen siyanobakteriyel türde mikroorganizmal yaşamın destekleyicisi olarak değerlendirilebilir… Ve böylesi bir kanıt elde edilecek olursa, gezegen yaşamlarının göktaşları aracılığıyla uzaydan geldiğini savunan kuram güçlenecektir.
Kızıl Mars’ın sebebi, Mars suyunu kaybederken su moleküllerinin parçalanmasıyla serbest kalan oksijenin ağır atom olarak toprağa çöküp topraktaki demiri paslandırmasıdır.