Buzdan Uçak Gemisi Hayalinin Torunu: Protein Yapıştırıcılı Buz, Sıradan Buzdan 10 Kat Sağlam

Buzdan ada fikri: Habakkuk Projesi

Hikâye İngiliz mucit Geoffrey Pyke ile başlıyor. Çelik ve alüminyumun kıt olduğu yıllarda Pyke, Atlantik'in ortasında kara uçaklarının menzili dışında kalan konvoyları korumak için dev bir buz adası önerdi: bir buzdağının üstü düzlenecek, pist yapılacak, içi oyularak uçaklara hangar açılacaktı. Proje, Eski Ahit'teki Habakkuk kitabına atıfla bu adı aldı. İngilizce Vikipedi'de derlenen kayıtlara göre planlanan yapı 600 metre uzunluğunda olacaktı; bugünün en büyük uçak gemilerinin neredeyse iki katı.

Perutz kısa sürede sorunu gördü: doğal buzdağlarının su üstündeki yüzeyi pist için fazla küçüktü ve aniden devrilebiliyorlardı. Çözüm, Brooklyn'de çalışan kimyager Herman Mark ile asistanı Walter Hohenstein'ın bir raporundan geldi. Suya biraz pamuk ya da odun hamuru karıştırıp dondurduklarında buzun belirgin biçimde güçlendiğini görmüşlerdi. Tıpkı betonun çelik tellerle donatılması gibi, lifler de buzun içinde donatı işlevi görüyordu.

Perutz'un anılarına göre yalnızca yüzde 4 odun hamuru içeren bloklar, ağırlıkça betonla aynı dayanıma ulaşıyordu. Malzeme tahta gibi işlenebiliyor, metal gibi kalıba dökülebiliyordu. Ama bir kusuru vardı: buz, çok yavaş da olsa akar. Pykrete'ten yapılmış bir gemi, eksi 15 derecenin altında tutulmazsa kendi ağırlığı altında sarkacaktı. Kanada'daki Patricia Gölü'nde düz göl buzundan küçük bir deneme gövdesi yapıldı, ancak artan maliyet ve daha uzun menzilli uçakların devreye girmesiyle proje rafa kalktı.

Liflerden moleküler yapıştırıcıya

İbrani Üniversitesi Robert H. Smith Agronomi, Gıda ve Çevre Fakültesi'nden Prof. Ido Braslavsky liderliğindeki ekibin çıkış noktası, klasik pykrete'teki bir zayıflıktı. New Atlas'a göre araştırmacılar, odun liflerinin buz içinde düzensiz dağılmasının malzemenin gücünü sınırladığını düşünüyor.

Bu yüzden iri odun hamuru yerine selüloz nanokristalleri kullandılar. Bunlar, bitkilere yapısını veren selülozdan elde edilen çok küçük ve sert parçacıklar. Karışım donarken nanokristaller, küçük buz bölgelerinin çevresinde üç boyutlu bir ağ örüyor. Asıl yenilik ise bu ağı buza bağlayan bir protein. Ekip, balıklarda doğal olarak bulunan ve buza tutunan bir proteine, karbonhidratlara yapışan ikinci bir parça ekledi. Ortaya çıkan melez proteinin bir ucu buzu, öbür ucu selülozu tutuyor.

Braslavsky, Phys.org'da yer alan açıklamada amacın lifleri buza gelişigüzel karıştırmanın ötesine geçip malzemelerin birbirine nasıl bağlandığını moleküler düzeyde kontrol etmek olduğunu söyledi. "Sonuç yalnızca buzun ne kadar güçlü olduğunu değil, nasıl kırıldığını da değiştiriyor. Birden paramparça olmak yerine çok daha fazla enerji soğurup yavaş yavaş şekil değiştirebiliyor" dedi.

Çatlak neden durdu?

Sıradan buzda küçücük bir çatlak bile hızla ilerleyip bütün yapıyı çökertebilir. Araştırmacıların açıklamasına göre BioPykrete'te ilerleyen çatlak, selüloz ağına çarpıyor. Protein bu ağı buza sabitlediği için ağı yırtmak ya da esnetmek daha fazla enerji istiyor; çatlak ya duruyor ya da yön değiştiriyor. Böylece hasar küçük ve sınırlı kalıyor.

• Basınç dayanımı: saf buzun yaklaşık 10 katı; ekibe göre sıradan beton düzeyine yakın.
• Kırılmadan önce soğurulan enerji: saf buzun yaklaşık 70 katı.
• Proteinin katkısı: aynı buz ve selüloz karışımına göre hem dayanımı hem soğurulan enerjiyi yaklaşık iki katına çıkardı.

Nerede kullanılabilir, neler bilinmiyor?

Ekip, malzemeyi öncelikle Arktik ve Antarktika için düşünüyor. Oraya beton ve çelik taşımak pahalı ve zahmetli; buz ise yerinde bol. Malzeme büyük ölçüde buz ve bitkisel selülozdan oluştuğu için daha düşük karbonlu, doğada çözünebilen bir seçenek olabileceği belirtiliyor.

Ancak bu bir kavram kanıtı. Araştırmacılar malzemenin uzun süre yük altında nasıl davranacağını, tekrar tekrar donup çözülmeye nasıl dayanacağını ve sabit basınç altında zamanla sarkıp sarkmayacağını henüz test etmedi. Yani Perutz'u 1940'larda uğraştıran akma sorunu hâlâ açık bir soru. New Atlas ayrıca ölçek sorununu hatırlatıyor: birkaç deney silindiri için gereken proteini laboratuvar bakterilerine ürettirmek kolay, küçük bir bina için gereken miktar ise neredeyse bir fabrika kurmayı gerektirir.

Ekibin bir sonraki adımı, çatlakların malzeme içinde nasıl ilerlediğini ayrıntılı incelemek ve farklı proteinler ile dondurma yöntemleriyle daha güçlü karışımlar denemek. Pyke'ın buzdan adası hiçbir zaman denize açılmadı; kutup araştırma istasyonlarının duvarlarından birinin günün birinde bu malzemeden örülüp örülmeyeceğini ise saha testleri gösterecek.

Fotoğraf: Bart van Overbeeke Fotografie, CC BY-SA 4.0, Wikimedia Commons