Uluslararası Uzay İstasyonu’nun 20 Yılı!

Uluslararası Uzay İstasyonu’nun – UUİ (International Space Station – ISS) yörüngeye yerleşmesinden bugüne yirmi yıl geçmiş. Bu süre zarfında istasyonda yapılan ilgi çekici bazı deneyleri aşağıda derledik.

[BAA - Maddenin Temel Hareketleri - Çeviri]

Dünya etrafında saatte 17.500 mil (27.600 km) hız ile dönmekte olan Uluslararası Uzay İstasyonu (UUİ) yörüngeye yerleştirilmiş en büyük, insanlı uzay aracıdır. Dünya’nın pek çok yerinden günde en az bir defa çıplak gözle gözlenebilen, bir futbol sahası büyüklüğündeki bu istasyon aynı zamanda kalıcı mikro kütleçekimine (10-6 g, ya da sıfır-g, g:yerçekimi ivmesi) sahip ilk bilim laboratuvarıdır. UUİ fırlatıldığından beri, üzerinde beşte biri doğrudan fiziksel bilimler ve astronomiyle ilişkili olmak üzere 1500’den fazla deney düzeneği kurulmuştur. İstasyondaki astronotlar, fırtınaların fotoğraflanması, yerçekiminin yokluğunda hava kabarcıklarının nasıl kaynaştığının ve uzaydaki alevlerin alışılmadık şekillerinin incelenmesi gibi işlerle uğraşmaktadırlar. Ancak tek ölçüm yapan astronotlar değildir. UUİ’deki deneylerin çoğu, araştırmacılar tarafından tasarlanmış ve Dünya’dan kontrol edilebilen şifonyer boyutunda donduruculu kutuların içine yerleştirilmiştir. (Karanlık madde avcılığı için tasarlanmış bir parçacık dedektörü olan Alfa Manyetik Spektrometresi bir istisna olarak UUİ’nin dış cephesine bağlı hâldedir.) İşte UUİ’nin ilk 20 yılında gerçekleştirilmiş daha önce duymuş olabileceğiniz ya da duymadığınız beş deney.

Bir delik içeren tozlu bir plazma
Uzay istasyonunun 2000 yılında başlatılan ilk fizik deneyi kuyruklu yıldızların kuyrukları ve Satürn’ün halkalarında bulunan toz parçacıkları ile zenginleşmiş iyonize bir gaz bulutu olan “tozlu plazma”nın incelenmesini içeriyordu. Yerçekiminin, parçacıkların milisaniyeler içinde yere düşmesine neden olması yer-merkezli laboratuvarlarda çalışmayı zorlaştırmaktadır. Araştırmacılar güçlü elektromanyetik alanlar kullanarak toz parçacıklarını yerlerinde tutabilmektedir, ancak bu yöntem deneysel hatalara da kapı aralar. Kütleçekiminin yeryüzündekinin milyonda biri kadar olduğu UUİ’de ise parçacıklar herhangi bir müdahele olmadan havada asılı kalmaktadır.

UUİ’deki ilk plazma deneyinde tozlu-plazma kristalleri oluşturmak amaçlanmıştır. Başlangıcından beri plazma deneylerine dahil olan Alman Havacılık ve Uzay Merkezi’nden Hubertus Thomas, bu kristallerin benzer boyutlardaki toz parçacıklarından meydana gelen yoğun, tozlu plazmalar içinde oluştuğunu söylüyor. Thomas deneyin başarıya ulaştığını, ancak sonucunda bir sürprizle karşılaştıklarını ekliyor. Plazmanın merkezinde beklenmedik bir parçacıksız bölge oluşarak araştırmacıların kafasını karıştırmıştı. Araştırmacılar bu boşluğun plazmaların merkezinde meydana gelen ve toz parçacıklarını dışarı doğru taşıyabilecek kadar güçlü bir akıma neden olan pozitif bir elektrik potansiyelinden kaynaklandığını düşünmüş ve bu olayı “iyon sürtünmesi” olarak adlandırmışlardır.

Islak tüp sayesinde akışkanların daha hızlı akması
Uzaydaki akışkanların akışının kontrol edilmesinin yarattığı zorluklar uzay aracı üzerindeki ekipmanların performanslarını da etkilemektedir. Örneğin, yakıt tanklarındaki yakıt, tankın içerisinde etrafa sıçrayabilmekte ve yakıt transfer sürecine müdahale edebilmektedir. Oregon’daki Portland Eyalet Üniversitesi’nden Mark Weislogel tuvalet, buzdolabı gibi araçların işleyişini devam ettirebilmek için NASA’nın sürekli olarak uzaya yeni parçalar fırlattığını ifade ediyor.
Weislogel sıfır-g yerçekiminde akışkanların akışı ile ilgili çalışmaktadır. Akışkanları bir yol boyunca yönlendirmek için yüzey gerilimi ve ıslatma etkilerinden (wetting effects) yararlanan üçgen ve farklı çokgen şekillerinde kesitlere sahip konik boruları tasarlayıp, test etmektedir. 2004 yılında başlatılan bir dizi deneyde farklı akışkanların bu borulardan nasıl geçtiğini izlemiş ve bazı ilginç davranışlarla karşılaşmışlardır. Borunun önceden ıslatılmış olmasının bir sonucu olarak akışkanların poligonal bir borunun bir duvarı boyunca akarken başka bir duvar boyunca akmaya geçiş yapabildiği, aynı zamanda akış hızının artış veya azalış gösterebildiği gözlenmiştir. Bu davranışların anlaşılması idrar işleme ekipmanı, ısı dönüştürücüleri ve kahve fincanı gibi araçların daha işlevsel şekilde tasarlanmasına olanak sağlamıştır. Weislogel  “Mars’a insan göndereceksek, bu sistemler mükemmel çalışmalıdır” diyor.

Uzay karıncaları
İnsanların yanısıra meyve sinekleri, zebra balıkları ve karıncalar gibi canlılar da UUİ’deki uzay görevlerinde kullanılmaktadır.  2014 yılında gerçekleştirilen deney ile gelecekte aynı ortamda çalışacak uzay robotlarının tasarlanmasına ve kontrol edilmesine yardımcı olacağı düşünülerek karıncaların mikrokütleçekimi koşullarında kolektif arama davranışları incelenmiştir. Bu araştırma için her biri 80 adet kaldırım karıncası (Avrupa ve Kuzey Amerika’ya özgü bir karınca türü) içeren 8 karınca kolonisi uzaya gönderilmiştir.

Başlangıçta plastik bir kutunun köşesine yerleştirilen karıncaların engeller kaldırıldığında bulundukları ortamı nasıl keşfedecekleri izlenmiş, sonucunda karıncaların kıvrımlı rotalarda hareket ettikleri ve habitatlarının (içinde bulundukları kutunun) çok az bir kısmını keşfettikleri görülmüştür. Aynı deney Dünya’da gerçekleştirildiğinde ise karıncaların, spirallerden düz çizgilere, rotanın şekline uyum sağladıkları ve 5 dakika içerisinde bütün habitatı inceledikleri görülmüştür. 2014’teki TED konuşmasında Deborah Gordon bunun nedenini açıklar. Karıncalar araştırma stratejilerini koloninin yoğunluğuna göre ayarlarlar. Yoğunluğu da etkileşimlerinin sıklığı aracılığıyla izlerler. Gordon’un dediğine göre kütleçekimin düşük olduğu bir ortamda karıncalar birbirleriyle “bağlantıyı sağlayabilmek için çok çalışırlar.” Bu yüzden yoğunluk ve karşılaşma sıklığı arasındaki ilişki değişir ve bu da arama paternlerini değiştirir.

UUİ’deki kolloid bolluğu
UUİ’deki popüler çalışmalardan biri olan kolloidal dispersiyonlar (sıvılar içinde asılı bulunan küçük parçacıklar) hakkında günümüze kadar 30’dan fazla deney gerçekleştirilmiştir. Evlerimizde kullandığımız boya, şampuan ve yüz kremi gibi birçok ürün kolloidal yapıdadır. Bu ürünlerdeki parçacıkların nanometre boyutlarında olması onların asılı durmasına fakat gözlemlenmesinin zor olmasına neden olur. Bu yüzden, deneylerde daha büyük, mikrometre boyutlarında parçacık içeren sistemler tercih edilmektedir.  ABD merkezli kişisel bakım şirketi Proctor & Gamble’dan Matthew Lynch, “Fakat daha büyük parçacıklar için kütleçekim dikkate alınması gereken bir kuvvet hâlini alır”, diyor. UUİ kütleçekimi denklemin dışına iter.

2012 yılında başlatılan deneylerde iki farklı boyuttaki parçacıkların süspansiyonları incelenmiştir. Kolloidlerin görüntüleri yakalanarak parçacıkların hangi koşullarda kararlı ve bağlı yapılar oluşturdukları tespit edilmiştir. İlk görüntülerde bu yapıların yalnızca 2-boyutlu izdüşümleri elde edilebilmiştir. Ancak ilerde UUİ’ye yerleştirilecek yeni bir konfokal mikroskop(yüksek optik çözünürlüğe sahip bir görüntüleme tekniği) 3-boyutlu görüntülerin alınmasına da olanak sağlayacaktır.

Saniyeler süren kuantum gazları
Geçtiğimiz mayıs ayında başlatılan Soğuk Atom Laboratuvarı (CAL) – Bose-Einstein yoğuşması (BEC) oluşturan makine– UUİ’deki en yeni fizik deneylerinden biridir. Kaliforniya’daki Jet İtiş Laboratuvarı’ndan Robert Thompson, kendisinin ve arkadaşlarının ilk olarak 1995 yılında uzayda BEC’ler yaratmayı tartıştıklarını söylüyor. Bundan kısa bir zaman sonra fizikçiler onları Dünya’da üretmişlerdir. Bu şekilde soğuk kuantum gazlarının ömrünü milisaniyelerden 10 saniyeye kadar çıkarabileceklerini umuyorlardı.

Uzayda bir BEC üretebilmek için özel optik ve manyetik tuzaklar dahil bütün ekipmanların mevcut olması gerekmektedir. Bu ekipmanların donduruculu kutular ile uzaya gönderilmesi ve uzaktan çalıştırılması korkutucu bir görev gibi görünse de, teknolojideki ilerlemeler sayesinde bu zorluklar aşılmıştır. Örnek olarak, normal şartlarda tuzaklama manyetik alanlarının oluşturulması için gerekli olan kısa ve kalın bobinler yerine, CAL’da sadece birkaç küçük telden oluşan kompakt bir silikon çip kullanılmıştır. Thompson, düzeneği tasarlayıp inşa etmenin devasa fakat değerli bir görev olduğunu hatırlatıyor.  CAL hâlâ test aşamasındadır, ancak yine de sistem saniyeler süren nanokelvin BEC’leri yaratıp, bunları analiz edebilmektedir. Deneyin sorumlusu Robert Thompson uzayda bir BEC deneyine sahip olmanın “gerçekleşecek bir hayal” olduğunu ifade ediyor.

KAYNAK:
https://physics.aps.org/articles/v11/116