Hall İtki Sistemlerinde Kullanılmak Üzere Tasarlanan Elektron Kaynağı: Oyuk Katot

Elektrikli itki sistemleri, uzay araçlarının yörünge hareketlerini ayarlamak, araçları belli yörüngede tutmak ve uzayın derinliklerine yolculuk yapmak gibi beliren ihtiyaçlardan ortaya çıkmıştır. Kimyasal roketlere göre; daha az maliyetlidir ve daha uzun süre yolculuk yapmaya izin verir. Genelde kullanılan kimyasal itki sistemleri, araçların Dünya'dan gönderilmesi için kullanılır. Ancak, ana iticinin yapamayacağı, daha düşük güçlü işlemleri gerçekleştirecek başka sistemleri de uzay aracına eklemek gerekiyor [1]. Güneş panelleri ile depolanan veya nükleer döngülerle elde edilen enerji, bu düşük güçlü sistemleri harekete geçirmeye yetmelidir. Elektrikli sistemler işte bu ek işlemleri gerçekleştirmek için iyi bir alternatiftir ve özgül itkileri (specific impulse) diğer itki sistemleri ile karşılaştırıldığında çok daha yüksektir.

Elektrikli İtki Sistemleri Tipleri

Elektrikli sistemler, kendi içinde farklı kaynaklarla desteklenir. Temelde hepsinin mantığı benzerdir. Bir şekilde iyonlaştırılan nötr gaz, genellikle iyonlaşma enerjisi yüksek bir soy gaz, elektrik alan ile hızlandırılarak atılır. Kullanılan tipe göre, sadece pozitif iyonlar atılır veya ısıtılan gaz, pozitif ve negatiflerle birlikte atılır. Yeni elektrikli sistemlerde "iyodin" de kullanılmaya başlanmıştır. İyodin katı halde depolanır, oda sıcaklığında gaz haline gelir ve iyonlaşma süreci benzer şekilde devam eder.

İyonlaştırma süreci, elektrikli sistemlerde farklılık gösterir. İyon iticiler olarak adlandırılan tip, Amerika'da ve Rusya'da 1900'lerin başında neredeyse eş zamanlı olarak ortaya çıkmıştır [2]. İlk elektrikli uzay aracı SERT-I, 1964'te Amerika tarafından denenmiştir [3]. İyon iticilerde nötr gaz, bir oda içinde elektronlar ile bombardıman edilerek iyonlaştırılır ve oluşan pozitif iyonlar, odanın çıkışına konulan ızgaralara voltaj verilerek hızlandırılır. Elektronlar, bu ızgaralar tarafından itilirken, pozitifler dışarı atılır ve bu esnada araç Lorentz kuvveti ile hızlandırılmış olur.

Radyofrekans iticiler ile nötr gazı iyonlaştırma ise, ilk olarak Almanlar tarafından denenerek; EUREKA ve ARTEMIS uzay araçlarında kullanılmıştır [4]. Bu tipte, radyo dalgaları üretilerek, bir antenden odanın içindeki gaz iyonlaştırılır. Atomlara bağlı elektronlar, belli frekanslarda gazdan koparılır ve oluşan pozitif iyonlar iyon iticilerde olduğu gibi ızgaralar ile hızlandırılarak atılır.

Mikrodalga iticiler, Japonlar tarafından denenmiştir ve Hayabusa görevi 2010'da başarıyla tamamlanmıştır [5]. Çalışma mantıkları radyo frekans iticilerle benzerdir, bu kez daha yüksek frekanslı güç kaynakları dalga yayar ve bu dalgalar gaza yönlendirilir. İyonlaşan gazdaki pozitif iyonlar, ızgaralı yapı ile atılabilir veya ayrı bölmede ısıtılıp, basınç farkından yararlanarak nozülden nötr olarak atılabilir. Bu son tip, mikrodalga ısıtıcılı iticiler olarak adlandırılır [6].

Son elektrikli itici tipi olarak manyetik alan yardımıyla gazı iyonlaştıran, elektrik alan ile hızlandırıp atan Hall iticiler tanıtılacaktır ve bu tip, günümüzde önemli uzay görevleri için en çok tercih edilen ve üzerinde çalışılan modeldir. Hall iticilerde ızgara bulunmaz, bu sebeple ızgaraların iyonlar tarafından tahrip edilmesi ve iticinin ömrünü azaltması sorunuyla karşılaşılmaz. Bu tip, ilk olarak 1970'lerde Sovyet Rusya'da denenmiştir. Sovyetler'in dağılması ile Amerika'ya gelen bilim insanları, bilgilerini de aktarmıştır ve 1990'dan sonra, önce Amerika'da sonra Avrupa'da Hall itici geliştirme süreçleri hızlanmıştır [7]. Hall iticiler de iyon atar fakat iyonlaşma için gereken elektronlar, itici dışında bulunan bir elektron kaynağından sağlanır. Manyetik alana takılan elektronlar ortamdaki nötr gazla çarpışır ve gazı iyonlaştırır. Ortamdaki elektronlar, pozitif voltajlı anota doğru ilerlerken iyonlar itici dışına, düşük voltajlı bölgeye doğru hızlandırılır. İticinin içinde farklı fiziksel oluşumlar gözlemlenir ve bunların açıklaması başka bir yazıda yapılacaktır. Elektron kaynakları anlatılırken de genel kullanım alanları açıklandıktan sonra, oyuk katottan çıkan elektron hareketleri, Hall itici örneği üzerinden anlatılmaya devam edilecektir.

Elektron Kaynağı Olarak Oyuk Katot

Elektron kaynakları nötr gazı iyonlaştırmak ve atılan pozitif iyonları nötrleyerek uzay aracının yüklenmesini engellemek amacıyla kullanılır. Kaynaklar, iticilerin tipine bağlı olarak DC güç kaynaklarıyla, RF veya mikrodalga üreten güç kaynaklarıyla çalıştırılır. Bu elektron kaynaklarına katot adı verilir. Elektrik devresinin bir ucunda anot diğer ucunda katot var gibi düşünürsek katottan çıkan elektronlar anota doğru yol alır.

Hall itki sistemlerinde, uzay aracının derin uzaya uzun süre seyahat etmesi amaçlanır. Bu sistemde kullanılan katot da aynı şekilde uzun ömürlü ve dayanıklı olmalıdır. Yolculuk süresince, az güç harcayarak uzun süre gitmek esas olduğundan,oyuk katot uzak görevler için idealdir. Oyuk katot, belli bir sıcaklık seviyesine geldikten sonra, içinde bulundurduğu yayıcı malzemeden fazla elektronlar koparmaya başlar. Bu süreç başladıktan sonra, dışarıdan güç vermeksizin kendiliğinden devam eder. Katotun malzemeleri yüksek sıcaklığa dayanmalıdır ve yayıcı malzemenin ne kadar süre elektron salmaya devam edeceği uzay görevlerinin süresini belirleyebileceğinden (eğer başka itki sistemi yakıtı kalmadıysa, araç Güneş'ten çok uzaksa vs.) önem taşır.

Temel parçalar, Şekil 1'de gösterilmiştir.

Şekil 1
Şekil 1

Elektron saçan malzeme olarak LaB6 daha çok tercih edilir. Bunun sebebi, daha düşük sıcaklıklarda elektron atmaya başlaması ve uzun ömürlü olabilmesidir. Şekil 2 ve 3'te farklı malzemeler karşılaştırılmıştır.

Şekil 2 [8]
Şekil 2 [8]
LaB6 daha kullanışlı bir malzeme olarak öne çıkıyor. Bu malzemenin yüksek sıcaklıkta, yüzeyden kopan elektronları, katot içinde kendiliğinden ve sürekli bir yayılıma sebep olur. Bu fazla elektronlar katotun oyuk kısmında eşit yüklü bir plazma yaratır. Oluşan fazla elektronlar, tutucu yardımıyla hızlandırılarak dışarı atılır ve bu elektronlar Hall iticilerde iyonlaşmayı ve sonrasında hızlanmayı sağlar.

Şekil 3 [9]
Şekil 3 [9]
Oyuk katottan çıkan elektronlar, Hall iticide bulunan anota doğru akarak devreyi tamamlarken, Hall iticiden yayılan nötr gazı da iyonlaştırır. Bu iyonlar ise Lorentz kuvveti ile itici dışına atılırken itki sağlanır. Katotun elektron atarken iç plazmasında ve tutucu yüzeyinde meydana gelen değişimler ise itici sisteminden bağımsız değildir, çünkü atılan katot elektronu miktarı, katotun karşısında gördüğü tutucu voltajına, anot voltajına ve akan nötr gazın debisine bağlıdır. İçteki plazma voltajının (Vp) ve tutucu (keeper) voltajının (Vk) etkisi Şekil 4'teki gibidir. Soldaki nokta modunu simgeler ve ileride açıklanacaktır.

Şekil 4 [8]
Şekil 4 [8]
Tutucu üzerinde iki tip kılıf oluşabilir: Birisi elektronları çekerken, birisi iter. Bu fark, eşit yüklü (quasi-neutral) plazmadan gelen elektronların enerjisi ile alakalıdır. Elektron enerjisi, elektron sıcaklığı (Te) ile ifade edilir. Oluşan kılıf yapılarına göre, katot iki farklı modda çalışır. Uzayan (plume/sorguç) modda katot plazmasının ileriye doğru parlak bir şekilde uzandığı görülür. Nokta (spot) modda ise, katot çıkışında daha az parlak bir nokta görülür. Şekil 5, kendi deneylerimizden aldığımız fotoğraftır. Üstteki nokta modu, alttaki diğeridir. Tel kafes pozitif voltaj vererek anotu taklit etmesi için konulmuştur.

Şekil 5
Şekil 5

İki mod arasındaki geçiş katot plazması ile ilgilidir ve bu mod geçişleri gazın debisi değiştirilerek çok net gözlemlenir. Şekil 6, tasarlanan deney düzeneğini ve akışın miktarına göre katot çalışmasının değişimini gösteriyor.

cathode_anodesetup

Şekil 6
Şekil 6

Şekilde anot voltajının ve akımının değişimi görülüyor. Anot akımının, elektron akımına eşitlendiği de gözden kaçmamalı, çünkü başta da belirtildiği gibi, katottan çıkan elektronlar,anota akar ve devreyi kapatır. Katotun karşısında, tutucudan daha yüksek voltajlı pozitif yüklü bir anot varken, elektron akımını belirleyen de bu anot olur. Anot tüm kapasite ile (Şekilde 1.2 A) elektron çekerken, tutucunun üzerinde kılıf oluşumu gözlenmez çünkü kılıf, pozitif yüklü tutucunun enerjisi düşük elektronları geri üzerine çekmesi ile oluşur. Kılıf olduğu sürece, tutucu potansiyeli artma eğilimindedir, çünkü tutucunun görevi, katot içindeki elektronları çekip dışarı fırlatmaktır. Bu elektronlar da yeterli enerjiye sahip olmalı ki; Hall iticiye doğru gittiklerinde nötr gazın iyonlaşma enerjisine sıcaklıkları (yani enerjileri) yeterli gelsin. Kılıf yokken tutucu potansiyeli düşüktür. Eğer elektronlar kılıfta birikseydi; yarattıkları negatif voltaj tutucunun işlevini yerine getirmesine engel olurdu. İtici çalışması sırasında, tutucu devre dışı kalır, çünkü çekmek için gereken pozitif potansiyel anot tarafından sağlanır. Yukarıdaki deneyde de gözlemlendiği gibi, anot voltajı, yüksek elektron çektiği anda düşük ölçülür. Bu mod nokta modudur.

Uzayan modda, yüksek tutucu voltajı ile hızlandırılan yüksek enerjili elektronlar, tutucu ile LaB6 arasında çok fazla pozitif iyon oluşumuna sebep olurlar. Bu iyonlar, katot iç duvarlarında oluşan ikili kılıf (double sheath) adı verilen başka bir oluşumla duvarlara doğru hızlanır ve çarparlar. Sonuç olarak; katot duvarlarında fazla aşınma gözlemlenir ve bu katot ömrünü azaltır. Katot iç duvarlarındaki ikili kılıf Şekil 7'deki gibidir. Hızlı hareket eden elektronlar iç duvarlarda birikir ve pozitif iyonları üzerlerine çekerler. Bunun sonucunda, hemen üstlerinde bir de pozitif kılıf oluşur. LaB6'ten kopan elektronlar, pozitif kılıfa çekilirken, pozitif yükler de duvardaki, negatif kılıfa çekilir.

Şekil 7 [8]
Şekil 7 [8]
Katotun iç mekanizmalarını anlamak, onu daha iyi tasarlamak için önemlidir. Uzun ömürlü olmasını sağlamak için seçilen elektrik ve ısı yalıtkanı malzemelerin dayanıklılığı da başlıca tasarım etkenlerindendir. Katot, iyi çalıştığı sürece itki sisteminin iyileştirmesi yapılabilir. Özellikle amacımız ve hayalimiz uzaya gitmeye hazır bir sistem tasarlamak ise, çalışmanın teorik arka planına da hakim olmak gerekir. Bunları bilerek doğru malzemelerle katotu vakum tankında test etmek de; çalışmasını doğrulamanın bir aşamasıdır ve bu konuda yol almaya devam ediyoruz.

Kaynaklar
[1] Martinez-Sanchez, M. and Pollard, J. E., "Spacecraft Electric Propulsion-An Overview," Journal of Propulsion and Power, Vol. 14, No. 5, 1998, pp. 688-699.
[2] Choueiri, E. Y., "A critical history of electric propulsion: The first 50years (1906-1956)," Journal of Propulsion and Power, Vol. 20, No. 2, 2004, pp. 193-203.
[3] Sommerville, J. D., "Hall-Eect Thruster{Cathode Coupling: The Effect of Cathode Position and Magnetic Field Topology," Ph.D. Thesis, Michigan Technological University, Houghton, MI, USA, 2009.
[4] Yavuz, Burak, E. T. and Celik, M., "Prototype Design and Manufacturing Method of an 8 cm Diameter RF Ion Thruster." Recent Advances in Space Technologies (RAST), 2013 6th International Conference on. IEEE, Istanbul, Turkey, June 2013.
[5] Nishiyama, K., Hosoda, S., Kuninaka, H., and Toyoda, Y., "Operational Characteristics of a Microwave Discharge Neutralizer for the ECR Ion Thruster 20," 31st International Electric Propulsion Conference, Ann
Arbor, MI, USA, September 2009, IEPC-2009-21.
[6] Yildiz, M. S. and Celik, M., "Evaluation of Plasma Properties in a Microwave Electrothermal Thruster Resonant Cavity Using Two Fluid Global Model," 51st Joint Propulsion Conference, Orlando, FL, USA, July 2015, AIAA 2015-3926.
[7] Hofer, R. R. and Jacobson, D., "Development and Characterization of High-Eciency, High-Specic Impulse Xenon Hall Thrusters," NASA/CR,2004-213099, USA, 2004.
[8] Courtney, D. G., "Development and Characterization of a Diverging Cusped Field Thruster and a Lanthanum Hexaboride Hollow Cathode," M. S. Thesis, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA, USA, May 2008.
[9] Goebel, D. M., Watkins, R. M., and Jameson, K. K., "LaB6 Hollow Cathodes for Ion and Hall Thrusters," Journal of Propulsion and Power, Vol. 23, No. 3, 2007, pp. 552-558.

Nazlı Turan

Boğaziçi Üniversitesi - Makine Mühendisliği Yüksek Lisans mezunu. Tezinde elektrikli itki sistemlerinden olan Hall iticilerle deneysel olarak çalıştı. Amerika'da University of Notre Dame'da plazma sistemleri üzerine doktorasına başlayacak. Uzayda daha uzağa gitme merakı var. İlgi alanları elektromanyetizma, plazma fiziği, yüksek sıcaklığa dayanıklı malzemeler, ısıl modeller, iklim değişikliği, geleceğin fiziği ve geleceğin insanı.

Nazlı Turan 6 makale yazdıNazlı Turan tarafından yazılan tüm makaleleri gör