Isı kalkanı 900 derecede çökerken içine bakıldı: sinkrotronda 3B film

Isı sürtünmeden değil, sıkıştırmadan geliyor

Yaygın anlatının aksine atmosfere giriş sırasındaki sıcaklığın kaynağı hava sürtünmesi değil. NASA Ames'in giriş sistemleri sayfasına göre sıcaklık, "gaz ve hava parçacıklarının aracın yüzeyine doğru sıkıştırılmasından" doğuyor ve Dünya atmosferine dönüşte 7.000 Fahrenheit dereceye (yaklaşık 3.870 °C) kadar çıkabiliyor. Araç saniyede kilometrelerce hızla ilerlerken önündeki hava kaçacak zaman bulamaz; bir şok dalgasının içinde aniden sıkışır ve ısınır. Bisiklet pompasının gövdesinin, hava sıkıştırıldığı için ısınmasıyla aynı ilke — sadece binlerce kat şiddetlisi.

Bu yüzden atmosfere giriş kapsülleri sivri değil küt burunludur: küt bir gövde şok dalgasını yüzeyden uzakta tutar ve ısının büyük bölümünü çevredeki havaya bırakır. Geri kalanını da malzemenin kendisi yutmak zorundadır.

Kendini eksilterek koruyan zırh

Ablatif ısı kalkanı, tam da bunu yapmak üzere tasarlanmış bir malzemedir: sıcaklık altında sağlam kalmaya çalışmaz, bilerek bozulur. İçindeki reçine ısındıkça katı halden doğrudan gaza geçerek ayrışır — buna pirolyz denir. Çıkan gazlar dışarı doğru akarken sıcak sınır tabakasını yüzeyden iter, geride gözenekli bir kömür katmanı bırakır. Yüzeyden aşınarak eksilen bu malzeme kaybına da ablasyon adı verilir. Kısacası kalkan, ısıyı içeri geçirmek yerine kendi kütlesini harcayarak dışarı taşır. Mum gibi: alev mumu ısıtır, mum eriyip buharlaşarak alevi kendinden bir miktar uzak tutar.

NASA Ames'in aynı sayfasında belirtildiği gibi, Apollo için geliştirilen Avcoat bugün Orion kapsülünün kalkanında yeniden kullanılıyor; 1990'larda geliştirilen PICA ise hâlâ temel malzemelerden biri. Bu yazının konusu olan çalışma ise başka bir aileyi inceledi: gezegen giriş araçlarının arka gövdesinde kullanılan, "süper hafif ablatörler" denen düşük yoğunluklu malzemeler.

Öncesi-sonrası fotoğrafı yerine film

Berkeley Lab'ın bülteninde, mühendislerin bugüne kadar hesaplamalı modellerini "test öncesi ve test sonrası gözlemler" üzerine kurduğu, mikroskobik ölçekteki bozulmayı olurken izlemenin mümkün olmadığı belirtiliyor. Ekibin yaptığı şey bu kısıtı kaldırmak oldu.

Deney, Advanced Light Source'un 8.3.2 numaralı ışın hattında yapıldı. Sinkrotron, elektronları ışık hızına yakın hızda döndürüp çok parlak X-ışını üreten bir hızlandırıcıdır; bu parlaklık sayesinde bir tomografi taraması hastane cihazlarının çok altında sürelerde tamamlanabilir. Örnek, sürekli argon gazı akıtılan sızdırmaz bir odanın içine yerleştirildi; argon soy gaz olduğu için malzemeyle tepkimeye girmez, ayrışmadan çıkan gazları da beraberinde dışarı süpürür. Advanced Light Source'un kendi teknik özetine göre ekip iki kipi birlikte kullandı: geniş hacmi hızla taramak için beyaz ışın, ısıtma öncesi ve sonrası yüksek çözünürlüklü görüntüler için tek renkli ışın.

Tablodaki bilgiler çalışmanın özeti, Advanced Light Source'un teknik özeti ve Berkeley Lab bülteninden derlendi.

İki malzeme, iki farklı çöküş biçimi

Seçilen iki ticari malzeme, dolgu bileşimleri farklı olduğu ve giriş araçlarının arka gövdesinde birbirini tamamlayan işler gördüğü için seçildi. Sonuç, ikisinin aynı sıcaklıkta bambaşka yollardan bozulduğunu gösterdi.

• SLA-561V: Ana dolgusu mantar. Sıcaklık yükseldikçe mantar kimyasal olarak ayrışıyor ve geride açık boşluklar bırakıyor.
• SLA-220: Ayrışan bir dolgu içermiyor; bozulma silikon elastomer ana yapıdan geliyor ve ısıtma sırasında karmaşık bir gözenek ağı oluşuyor.

Fark akademik değil. Gözenek yapısı, malzemenin ısıyı ne kadar ilettiğini ve pirolyz gazlarının ne kolaylıkla dışarı sızdığını belirliyor. Aynı sıcaklığa dayanan iki malzeme, gözenek ağları farklı olduğu için giriş boyunca çok farklı davranabilir.

Yapay zekânın devreye girdiği yer

Buradaki teknik ikilem, tomografide her zaman aynıdır: geniş bir alanı hızla tarayınca çözünürlük düşer, çözünürlüğü yükseltince görüş alanı daralır ve tarama yavaşlar. Hızlı bir bozulma olayını izlerken ikisine birden ihtiyaç vardır.

Ekip bunu bir süper çözünürlük yöntemiyle aştı. Çalışmanın özetinde anlatıldığına göre, yüksek çözünürlüklü taramalar bir üretici çekişmeli ağ (GAN) eğitmek için kullanıldı; iki yapay sinir ağının biri görüntü üretip diğeri sahteliğini yakalamaya çalışarak yarıştığı bu mimari, sonra geniş görüş alanlı ama düşük çözünürlüklü yerinde tarama dizisinin gürültüsünü temizlemek, bileşenleri ayırmak ve çözümlemek için uygulandı. Böylece reçine, silika mikrobalonlar, mantar dolgu, refrakter lifler ve boşluklar sıcaklığın bir fonksiyonu olarak ayrı ayrı sayılabildi.

Çalışmanın o dönem Illinois Üniversitesi'nde doktora sonrası araştırmacı olan, şimdi NASA Johnson Uzay Merkezi'nde çalışan yazarı Vishnu Oruganti, Berkeley Lab bülteninde şunu söylüyor: "Isı kalkanı malzemelerinin ısınırken nasıl bozulduğunu bu teknikle doğrudan gözlemek, atmosfere giriş araştırmaları açısından dönüştürücü oldu; bize eşsiz bir kavrayış veriyor ve ablasyonu sürükleyen iç yapı değişimlerini olurken görselleştirmemizi sağlıyor." Oruganti ayrıca NASA'nın önemli ablatif kalkan malzemelerinin neredeyse tamamının bu teknikle Advanced Light Source'ta incelendiğini, bunlara Artemis ve Mars giriş görevleriyle ilgili olanların da dahil olduğunu belirtiyor.

Artemis I neden bu işin arka planında duruyor

Yöntemin neden bu kadar ilgi gördüğünü, Advanced Light Source bilimcisi Liz Clark'ın aynı bültendeki sözleri açıklıyor. Clark, tesisin ısı, soğuk, basınç ve gerilme gibi farklı uç koşullar altında üç boyutlu görüntüleme yapabildiğini anlattıktan sonra ekliyor: "İlk Artemis görevinden sonra — ki o görevde ısı kalkanları NASA'nın hesaplamalı yöntemlerle beklediği gibi davranmamıştı — iç yapının zaman içinde nasıl değiştiğini daha iyi anlamak için bu kalkanlardan alınan malzemeleri incelemekte ALS kullanıldı."

Clark yöntemin bugünkü halini de yapay zekâya bağlıyor: "Görüntüleme tekniğini özelleştirmek için yıllarca birlikte çalışmanın ve yapay zekâyı işin içine katmanın nitelikli veri üretmemize ve çözümlemeyi kolaylaştırmamıza nasıl yardımcı olduğunun güzel bir örneği; eskisinin çok küçük bir bölümü kadar sürede daha ayrıntılı bilimsel kavrayışa ulaşılıyor."

Kalınlık payı neden bu kadar cömert tutuluyor

Isı kalkanı tasarımı bir denge işidir. Malzeme ne kadar kalın olursa güvenlik o kadar yüksek olur, ama her fazladan kilogram taşınabilecek bilimsel yükten düşer. Bilinmezlik büyükse mühendis payı büyütür; bilinmezlik küçülürse pay incelir ve araç aynı roketle daha fazla iş taşır. Test öncesi ve sonrası fotoğrafa dayanan modellerde bu bilinmezlik, doğası gereği yüksek kalıyordu. Ara kareleri görmek, payın nereye kadar inceltilebileceğini ölçmeyi mümkün kılıyor.

Mars'ta konu daha da sıkışık. NASA'nın Mars Bilim Laboratuvarı için ürettiği ısı kalkanı 4,5 metre çapındaydı ve NASA'nın tanımına göre herhangi bir gezegenin atmosferinden inmek üzere yapılmış en büyük kalkandı. Mars atmosferi Dünya'nınkinden çok ince olduğu için araç aşağıya kadar hızlı iner; frenleme için daha az hava, dolayısıyla daha az zaman vardır. Dahası giriş, iniş ve yerleşme dizisi Dünya'dan anlık müdahale edilemeyecek kadar uzakta geçer. Böyle bir görevde kalkanın davranışını modelin ne kadar doğru öngördüğü, telafisi olmayan bir sorudur.

Aşağıda, NASA'nın Ames Araştırma Merkezi kanalının "NASA Ames Completes Successful Heat Shield Testing for Future Mars Exploration Vehicles" başlığıyla yayımladığı videoda, gelecekteki Mars araçları için ısı kalkanı malzemelerinin yerdeki sınama düzeneği görülüyor. Sinkrotron deneyi bu tür testlerin yerini almıyor; onların içini görünür kılıyor.

Yöntemin sınırı

Bu deney gerçek bir atmosfere giriş değil, onu taklit eden bir laboratuvar ortamı. Örnekler 900 dereceye kadar ısıtıldı; oysa Berkeley Lab'ın bülteninde giriş sırasında yüzeyin 3.000 Fahrenheit derecesinin (yaklaşık 1.650 °C) ötesine çıktığı belirtiliyor. Yani deney, kalkanın en sıcak yüzey katmanını değil, malzemenin pirolyz aralığında olup biteni hedefliyor — nitekim incelenen malzemeler de aracın en önündeki kalkan değil, arka gövde malzemeleri. Ayrıca odada argon akıyor; gerçek girişte malzemenin karşılaştığı kimyasal olarak etkin, ayrışmış gaz karışımı yok. Örnekler küçük, ısıtma yerde denetimli; giriş sırasındaki hızlı ısıtma, aerodinamik basınç ve yüzeyin mekanik aşınması bu düzenekte yeniden üretilmiyor.

Bir nokta da yöntemin kendisinde: görüntülerin bir bölümü doğrudan ölçüm değil, eğitilmiş bir ağ tarafından yüksek çözünürlüğe taşınmış çıkarım. Çalışma bunu yüksek çözünürlüklü gerçek taramalara dayandırarak yapıyor, ama sonuçta üretilen ince ayrıntının ne kadarının ölçüm ne kadarının model olduğu, bu tür yöntemlerde her zaman açık bir sorudur.

Sırada ne var

Asıl sınav, bu filmlerden çıkan sayıların hesaplamalı modelleri gerçekten daha iyi hale getirip getirmeyeceği. Advanced Light Source'un bülteninde iki malzemenin gözeneklilik farkının ısı iletimini ve gaz geçirgenliğini etkilediği söyleniyor; bu ölçümlerin giriş simülasyonlarına girmesi ve ardından gerçek bir uçuşta doğrulanması ayrı bir iş. Ekip aynı yaklaşımı NASA'nın bir başka hedefine de taşıyor: incelenen malzemelerden biri, Satürn'ün bir uydusuna gidecek görevin arka gövdesinde kullanılacak. Cevabı henüz kimsede olmayan soru şu: Bir malzemenin içini artık ısınırken görebiliyorsak, mühendisler güvenlik payını gerçekten inceltme cesaretini gösterecek mi, yoksa ölçüm arttıkça temkin de mi artacak?

Fotoğraf: NASA Ames Research Center / NASA, Public domain, Wikimedia Commons