“Teknolojiyi Sizden Öğrenecek Değiliz!” veyahut Apollo Yakıt Pili

Şu pahalı  bir elektrik süpürgesinin içi gibi görünen nesne  yaklaşık yarım asır öncesine ait son derece sofistike bir teknoloji ürünü. “Teknoloji ürünü”   tanımımın, yarı – veya hepten -cahil çoluk çocuğun  aralarında dolaşarak  satmaya çalıştığı yassı televizyon veya “akıllı telefon” çer çöpüne indirgendiği  günümüzde  size pek bir şey ifade etmeyebilir ama, inanın gerçekten öyle.Apollo programı kapsamındaki uzay araçlarının ihtiyaç duyduğu elektrik enerjisini üreten bir yakıt pili. Houston Texas’daki Johnson Uzay Merkezinde sergilenen en ilginç en tuhaf parçalardan. Bugünün Amerikalısının çok uzak bir zaman dilimi ile ilgili  kazılarda ortaya çıkarılan arkeolojik nesnelermiş  gibi gördüğü bir şey.  Aynı refleksin büyük ölçekli benzerini  yine aynı yerdeki Satürn V roketi civarında da sezmek olası. Kendi yurttaşlarının bir kuşaktan az zaman diliminde kotardığı teknolojik başarıyı Mısırdaki piramitler hayreti ile izlemek her ulusa nasip olmaz bence. Yeryüzünün bu şimdiye dek üretilmiş en karmaşık, en nitelikli cihazlarından biri pek de bir şey anlaşılamadan ziyaret ediliyor.  Böyle bakıldığında Amerikan ulusu  yüzyıldan az  sürede kendi teknoarkeolojisini üretmenin  ve kavrayamamanın gururu ile  dolu olmalı.

Senden Elektrik Alıyorum

Uzay araçlarının ihtiyacı olan elektrik enerjisinin  üretiminde   Güneş’ten yararlanmak en akla yakın yöntem değil mi, fotovoltaik  yüzeyler filan? (anlamanızı kolaylaştıracaksa, “Güneş Panelleri” diyeyim.Ama n’olur şu panel işini  turistik kıyı sözlükçesindeki “Güneş Enerjisi” cinliği ile karıştırmayalım: siyah zemin üzerine  sıralı bakır borular içinden geçen suyun  güneşle direkt temas sonucu ısınıp, sıcak su üretmesinden biraz daha alingirli  bir iş bu).  Hatta,fikir genel olarak Güneş sisteminde seyahat eden otomatik uzay araçları, yetmişlerin “Skylab”ı, Şimdinin  Uluslararası Uzay İstasyonu, Rusların “Salyut”u ve  etrafta dolaşan  haberleşme uyduları düşünüldüğünde  doğrudur da.  Ama kazın ayağı öyle değil maalesef. Apollo Servis Modülü gibi büyükçe ve çeşitli cambazlıklar yapmak zorunda olan bir uzay aracının gerek duyduğu elektrik enerjisi için gerekli güneş panelleri (60’lardan konuşuyoruz, feysbuk filan yok, o derece eski çağlar yani) oldukça büyük ve hantal olurdu. Bu hantal yapıyı da  kıçtaki o kocaman  motor ateşlendiğinde oluşacak  ivmelenmeden başına bir şey gelmemesi için  ateşleme öncesi –hem, tam da  elektriğe en çok ihtiyaç duyulan  o süreçte – katlamak, bir yerlere sokmak bir gerekirdi! Pek olacak iş değil yani.

Bu sıkıntıyı aşmak için   kullanılabilir başka bir yol da,  ihtiyaç duyulacak elektriği bildiğimiz pillerle  yukarı çıkarmaktı. Bu yöntem Mercury ve iki kişilik Gemini uçuşları için kullanışlı ve uygulanabilir olmakla birlikte, Apollo programı gibi üç kişilik  mürettebatla yapılacak iki haftalık uçuşlar için gerek duyulacak pillerin ağırlık ve boyutları yüzünden hiç uygun değildi [2]. Bu yüzden Gemini programının sonlarına doğru üçüncü bir seçenek, “yakıt pili” olarak adlandırılan cihazlar uzun süreli  ve yüksek elektrik enerjisi gerektiren uçuşlarda  uygulandı. (Gemini’nin yakıt pili asidik protonların geçirgen bir yüzeyden   diğer bölüme iletilmesi sonucu elektrik üretiyordu  ama, geçirgen yüzeyle ilgili sorunlar yüzünden terk edildi) 

İkinci Dünya Savaşından önce geliştirilmiş alkali yakıt hücrelerinin çalışma prensibi, iki bileşenli bir kimyasal reaksiyonunun açığa çıkaracağı enerjinin  kullanılması gibi oldukça basit (görünen) bir fikre dayanır. Eğer bileşenler Apollo programındaki gibi  hidrojen ve oksijense,  reaksiyon sonucu açığa çıkan da  büyük miktarlarda elektrik enerjisiydi.Yalnız bildiğimiz pillerin aksine bu reaktantların(oksijen ve hidrojen ) sürekli yenilenmesi gerekli. Açığa çıkan başka bir şey daha vardı. Bol miktarda  ve içilebilecek nitelikte su….  Yani sözkonusu sihirbazlığın tercih edilmesiyle baş ağrıtıcı, can sıkıcı iki adet tasarım  problemi çözülebiliyordu. Tam “bir taşla iki kuş”, veyahut “bir koyup üç alma” durumu. Esasen Apollo 13 az kalsın “üçün birini” alacaktı ama oluyor öyle şeyler. Hem, rahmetli Turgut Özal’da tam bir koyup üç alacakken  Körfez Savaşı sırasında almamış mıydı onu?





Ulusal Amerikan Tarih Müzesi Arşivi |   E&MP59.032   |  

Elektrik enerjisi ve içilebilir taze su üreten Apollo Yakıt Hücre Prototipi 86 saatlik performans 

denetim testinden sonra. 26 Aralık 1962. 





Su işine geri dönelim:  Evet su bir uzay uçuşu için en önemli, hatta  damarlarda dolaşan kan kadar önemli bir bileşen.  Hem mürettebat içiyor, sudan arındırılarak yüklenmiş türlü yiyeceği, içeceği  yenebilir hale getirmek için kullanılıyor. Yiyecek içecek hazırlama işi  suyu tamamen alınıp genellikle toz haline getirilmiş yiyeceklere benzin istasyonlarının pompalarına  benzer tabancadansuyu sıcak veya soğuk olarak püskürtülerek yapılıyordu. Mesela canın kremalı tavuk çorbası içmek istedi; alıyorsun ilgili naylon torbayı basıyorsun sıcak suyu, elinde birazovalıyorsun  tavuk çorban hazır. Daya ağzının naylon torbaya afiyetle iç. Su ayrıca bin bir türlü elektrikli alet edevatın sürekli çalışması sonucu oluşan  (ve çok tehlikeli olabilecek) ısınmayı  önlemek için cihazlar arasında dolaştırılıyor, dolaşımdaki bu ısınan su da  servis modülünün gövdesindeki radyatörler vasıtası ile serinletiliyordu!  Sistemdeki fazla suyun  basıncı kontrol eden valfler ile zaman zaman aracın gövdesinden atıldığını da eklemeli.

Con Ahmet’in Devr-i Daim Makinası ?

Yok, Bu kadar basit değil. 

Esasen hidrojen ve oksijenin bir yanma odasında reaksiyona girerek enerji üretmesi roket motorlarında da  sıkça tercih edilen bir yöntem. Aradaki fark, enerjinin büyük bir bölümünün elektrik olarak açığa çıkarılması. Böyle anlatınca belki fazla basit oluyor; ver kabın bir tarafından oksijeni, diğer taraftan da hidrojeni, hooop bir taraftan su diğer taraftan da elektrik çıksın. Genellikle sistemi açıklayıcı i şematik çizimlerde böyle görünmek  ve çalışma prensibi  kullandığımız akülere benzemekle birlikte  iş biraz karışık. Elektrolit olarak asit yerine potasyum hidroksit kullanılıyor ve Hidrojen tarafında [ anot (-)]  nikel, oksijen tarafında da [katot (+)]  nikel oksit var. Nikel hem zor bulunan, dolayısıyla pahalı bir metal değil hem de hidrojen oksidasyonu için yüksek katalitik özelliklere sahip (Apollo programı için geliştirilenler daha etkili elektrotlar olarak platinle sinterlenmiş nikel kullanıyor). İki bölümü  ve aradaki elektrolitik sıvıyı da birbirinden geçirgen asbest tabakalar ayırıyor. İş basitçe böyle- sanki-. Daha geniş bilgi için “Handbook of Fuel Cells – Fundamentals, Technology and Applications” adlı faydalı  esere bakabilir [4].

Elektrik üretimi açısından yüzde yetmiş gibi performans oranlarına çıkılmakla birlikte, yine de hatırı sayılır miktarda enerji  ısı olarak açığa çıkıyordu. Bir bölümü çok düşük sıcaklarda bulunan iki bileşeni hücreye girmeden önce ısıtmak için kullanılıyor (Cihazın çalışma sıcaklığı yaklaşık 200 santigrat derece) fazlası ise glikole [3]  aktarılarak servis modülünün üst kısmındaki sekiz adet radyatörden uzay boşluğuna bırakılıyordu.  İlk Apollo araçlarında iki daha sonraları üç adet kullanılan bu cihazlar ile karmakarışık yardımcı sistemlerinin etkin ve sağlıklı çalışabilmeleri sürekli izlenmelerine  ve kontrollerine bağlıydı.Hücreler için  NASA için bile mümkün olamayacak saflıkta hidrojen ve oksijene ihtiyaç duyuyor, bu mümkün olmadığından dayabancı madde birikimine karşı tüm sistemin (oksijenin hattının  her gün, hidrojenin ise gün aşırı) boşaltılarak temizlenmesi gerekiyordu. 

Uzay aracı içinden ve yer kontrol tarafından miktar ölçümlerinin doğru yapılabilmesi depolardaki bileşenlerin sıvı olarak tutulmasına bağlıydı. Yer çekimsiz ortamda iyice güçleşen bu işlem için içinelektrikli ısıtıcılar kullanmaktan motorları ile belli sürelerde karıştırmak (şu “ice slush” denen içeceği karıştıran şeyler gibi, oksijen de tankın içinde aslında o kıvamda-imiş), gerekiyordu.  Mürettebat tarafından yapılan karıştırma işlemlerinden Apollo 13 uçuşu sırasında; 13 Nisan 1970, 22:06’da  (Amerikan Doğu Kıyısı Saati ile) yapılan bir tanesi pek iyi sonuçlar vermedi maatteessüf…

“İşin Fıtratında Var”

Odsyssey’in iki numaralı oksijen tankı (bilimsel olsun,  “ulan meydanı boş buldun atıyorsun BvP” denmesin  diye: North American Rockwell numarası; 10024X-TA0008) önce Apollo 10 servis modülüne takılmış ve kimbilir hangi sebep yüzünden araçtan çıkarılır.  Bir süre sonra Apollo 13’de kullanılmasına karar verilir. Fakat o hengamede yaklaşık beş santimden yere düşürülen çok hassas tankımıza  (Yuh)! Kimse tarafından “hacı bunun içinde dünya kadar kablo, sensör, boru  var. Bi yamuk olmuş mudur, aç hele bakak bir” demek gelmez. Oysa bu ufak sarsıntı ile tanka o lanet sıvıyı doşaltmaya/doldurmaya  yarayan iç tüp zarar görür. Uçuş öncesi  yapılan sayısız testlerden birinde tanka doldurulmuş oksijen  bir türlü tahliye edilemez.  İşin uzmanları tam 11 gün boyunca bu süper soğuk şeyi boşaltamayıp,  test kurulunda denemeleri kontrol edip onaylamakla yükümlü Astronota  (Uçacak malzemenin uçuş ekibinde yer alan astronotlarca de denetlenip kontrol edilmesi  yaygın bir uygulamaydı. Yaşam destek sistemleri, navigasyon, itki sistemleri, haberleşme aygıtları, radarlar, Ay modülünde bulunan başka akıllara zarar bir sürü sistem vs… binlerce alet edevat uçuş öncesi üreticiler ve NASA tarafından onlarca denemeye tabi tutularak NASA çalışanlarından oluşturulmuş bir kurul denetiminde  sertifikalanıyordu. Sorun çıkaran bu tankı onaylayanlardan biri de ilgili makineyle uçacaklardan   Astronot Ken Mattingly idi. Suçiçeği şüphesi ile uçuşta yer alamayan adamcağız, muhtemelen hayatının sonuna kadar bu kabus ile yaşamış olmalı) sorunu çözecek bir öneri ile gelirler: tank içindeki ısıtıcılardan birinin çalışması ile oksijen ısınacak ve gaz hale dönüşüp, düdüklü tencereden çıkan fazla basınç gibi emniyet vanasından çıkacaktır… “Olsun bakalım” der bizimki [5].

Tam Bu sırada  Test Alanında
 

Fakat tankın içine Mattingly ne de yöntemi önerenlerin bilmediği  başka bir rezillik çöreklenmiştir: Apollo uzay araçlarının elektrik sistemi  1965’de kadar 28 volt elektrik kullanırken  bu tarihten sonra ne hikmetse 65 volta yükseltilmiş ve tüm cihazlar bu güçte elektriği kabul edecek şekilde  yeniden tasarlanıp, düzenlemişti. Sadece meş’um tankın içindeki termostatlar hariç!!!! Kimse bu hatanın farkına varmadı. Isıtılan tankın içindeki termostat 26  Santigrat dereceye ayarlı ve 28 voltluk bir termostattı işte. Bu sayede boşaltım için ısıtma işlemi başlar başlamaz, güçlü voltajın oluşturduğu kısa devre  ile termostat çalışamaz hale gelir.  Isıtıcılar tankı beş yüz derecenin  üzerinde tutacak şekilde   8 saat boyunca çalıştır. Bu süre içinde testi kontrol eden teknisyeni şüphelendiren bir şey olmaz çünkü önündeki panelde ısı 30 derecenin üstüne çıkmaz hiç! (termostat bozuktu hani, hatırladınız mı?)Böylece, aşırı ısı tankın içindeki kabloların üzerindeki teflon izolasyonu  tümüyle bozar. Doğal olarak kablolar karıştırıcı fanı hareket ettiren elektrik motorunun da yanından geçerler! Kalkıştan sonraki  iki gün yedi saat  ve 54 dakika hiçbir şey olmaz. Fanları çalıştıracak düğmeye basılmasıyla oluşan elektrik kontağı  saniyeler içinde bu çok zengin oksijen ortamında yangın çıkarır,  artan basınç da tankın  patlayıp hem astronotlar hem de elektrik üretimi için çok gerekli  bu  değerli elementin kaybına sebep olur.   Apollo 13’un aya inişi filan o andan itibaren “yalan” olur tabii.  Artık tüm dert tasa o üç adamı sağ olarak yeryüzüne indirmektir ve indirirler nitekim! Bu çok heyecanlı macera da belki başka bir yazının konusu olabilir.

Apollo 13 Kazasından sonra  gelecekte benzer sorunlar yaşanmaması için tüm sistem yeniden tasarlanır.  Başka bir yere üçüncü bir oksijen tankı yerleştirilir, tanklar içindeki karıştırıcı fanlar kaldırılır.  Elektrik üretimi herhangi bir nedenle kesintiye uğrarsa kullanmak üzere yedek akü ve 2.5 litrelik  yedek  içme suyu tankı kumanda  modülüne konur.

***

Dediğim gibi, karşınıza bir şekilde görme fırsatı çıkacak olursa fırsatı değerlendirmenin çok yararlı olacağı acayip bir makine bu. Üstelik yazıyı buraya kadar okuyabildiyseniz artık size de pahalı bir elektrik süpürgesinin içi gibi görünmemesi  lazım!

BvP,

Fotoğraf: Yakıt Hücresi BvP, Prototip hücre için NMAH numarası resmin altında mevcut.  Apollo Hücresi ile ilgili çizimler  NASA  SP-350 “Apollo Expeditions to the Moon” Kitabından. Genel şema İnternet'ten. Çizimleri Türkçeleştirdim.

…………………….

[1] Merak etmeyin, sadece bir tane yok bunlardan. Toplam 92 tane üretilmiş, 54 tanesi Apollo programında gerçekleştirilen uçuşlarda kullanılmış. Yani başka yerlerde de görebilirsiniz. Washington’daki Smithsonian’da (en az iki), Bozeman  Montana’daki “Museum of Rockies” de, New Mexico’da,  hatta özel koleksiyonlarda bile mevcut.  Ama yine de denk geldi mi yanına seyirtip iyice bir bakmakta fayda var.

Fikir İngiliz Bilim adamı Francis Thomas Bacon  (1904-1992) tarafından geliştirilmiş. Amerikan uçak motoru üreticisi Pratt and Whitney 1959’da lisansı satın alıp, teknolojiyi Apollo Programı için Kullanmış.  Mevcut haliyle uzay araçları için oldukça ağır ve hantal olan olduğundan önemli değişiklikler yapmak gerekmiş. Örneğin 600 psi olan çalışma basıncı 50 psi’a düşürülmüş, ağırlık azaltılarak 110 kilograma indirilmiş.  Çalışma ömrü 400 saat olarak  tespit edilmesine rağmen 620 saat arıza yapmadan çalışabilmiş. 31 hücreden oluşan bir ünite  563 ile 1420 watt arası enerji üretebiliyor. Paralel  bağlı  üç pil uzay aracına 4.5 kw enerji sağlıyor.

[2] Uzaya gidiyorsun, Dünya’ya dışarıdan bakıyorsun filan ama,  üç kişi  göt göte aynı mekanda iki hafta geçiriyorsun…  Acayip işler!  Ama beterin beteri var; üç kişilik mürettebata rağmen  Apollo Servis modülü tasarım ve geliştirme aşamasında  bir Volkswagen otomobilin (kaplumbağa tabii, öyle bugünün Passat’ı değil)  şoför mahalli ile aynı hacme sahip Gemini kapsülünde  bir  hafta geçirmiş astronot taifesi tarafından epey konforlu ve geniş bulunmuştu!

[3] Kaynama sıcaklığının yüksekliğinden ötürü.  Glikol saf olarak veya su ile karıştırılmış haliyle uzun zamandır yüksek performanslı sistemleri soğutmak için kullanılan bir  sıvı.  İkinci Dünya Savaşı sırasında  Daimler Benz  uçak motorlarında da motor bloğunu  soğutmak için  glikol kullanıyordu.

[4] İlgili kitap (ISBN: 0-471-49926-9) içinde “Hydrogen/oxygen (air) fuel cells with alkaline electrolytes” başlıklı makale.  Cifrain  M., Kordesch K., pp 267-280.

[5]  Chaikin,  Andrew .  A Man on the Moon,  “Voyages of Apollo Astronauts”. Penguin, 2007.

İnternet'te  Apollo 13 kazası tüm detayları ile genişçe hikaye edilmekle, NASA sitelerinde de bütün detaylar anlatılmakla  birlikte ufak tefek farklılıklar gösteriyor. Ben hikayenin ana hatları için bu çok güzel yazılmış ve kapsamlı kitaptan yararlandım. Genel olarak Apollo programına ilgi duyanlar, temel bilgiler edinmek  isteyenler için ideal bir başlama noktası.

Ayrıca Tom Hanks, Kevin Bacon, Bill Paxton, Ed Harris ve Gary Sinise gibi “kuvvetli artis” lerin rol aldığı 1995 tarihli Apollo 13 filmi de, tüm hikayenin  bir Hollywood filmi olarak şaşırtıcı biçimde doğru ve eli yüzü düzgün anlatımı. Neyin nasıl olup bittiğini kavramak için izlenebilir.