HAVACILIK SEKTÖRÜNDE SOĞUK PLAZMA

Maddenin dördüncü hali olan plazma, günümüz modern teknolojilerinde hızla yükseldiği bir konumda bulunmaktadır. Tıptan tekstile hemen her alanda kullanılmakta ve havacılıkta da önemli bir rol oynamaktadır. Plazma, normal gazlardan farklı aerodinamik özelliğe sahip olması ile havacılıkta kendine yer edinebilmiştir. Kaplama ve boyama gibi işlemlerin yanı sıra; sürtünme etkisinin azaltılması, buzlanmayı önleme, yıldırım düşmesi etkilerinin azaltılması ve havada kalma süresinin uzatılması gibi amaçlarla da kullanılmaktadır.

Plazma ilk kez Sir William Crookes tarafından “radyant madde” ismiyle ortaya atılmıştır. Plazma terimi ise 1928’de Irving Langmuir tarafından kullanılmış ve lügata girmiştir. Plazmanın havacılık ve uzay sektörüne girişi son 50 yıl içinde, uzay çalışmalarının yükselişi sebebi ile itki motorlarının verimini artırmak amacıyla olmuştur. Zaman içinde plazmanın aerodinamik özelliklerinin havanınkinden farklı olduğu anlaşılmış ve böylece plazma, havacılıkta çok daha çeşitli alanlarda kullanılmaya başlanmıştır. Buna örnek olarak “plazma kılıfı” verilebilir. Plazma kılıfı sayesinde sürtünme kuvvetinin etkisinin azalması da verimliliğe katkı sağlayan bir durumdur. Aynı zamanda plazmanın elektrik ve manyetik yapısı itibari ile gelen elektromanyetik dalgaları absorbe ederek radarlarda karışıklığa yol açması bilim adamlarının dikkatini çekmiş ve bu konu üzerinde de çalışmalar başlatılmıştır. 1998 yılında Tennesse Üniversitesinde Reece Roth ve meslektaşları glow deşarj plazma panellerinin, düşük hızdaki objeler için dahi ortam direncini azalttığını ortaya koydular. Bu araştırma ile birlikte NASA, daha sonraki yıllarda plazmanın; aerodinamik tünellerinde yapılan deneyler sonucu, havacılıktaki kullanım yöntemleri hakkında fikir geliştirdi.

Plazmanın verimliliği artırması, kar marjını da artırdığı için üretici firmalar/şirketler de de kullanımı zaman içerisinde yaygınlaşmış ve günümüzde oldukça artmış durumda. Yılda yaklaşık 40 milyon ton jet yakıtı kullanan ABD sivil havacılığı için bu teknolojinin kullanılmasından elde edebilecek olan tasarruf hem yakıt fiyatları hem de yılda 5 milyon tonluk karbon dioksit emisyonu dikkate alındığında 1,5 milyar dolar olacaktır. Ayrıca, rüzgar türbinleri için de yüzey işleme işlemlerinde ve hatta rüzgar enerjisinin maliyetini düşürmek için kullanılmaya başlandı. Notre Dame Üniversitesinin hava araçları tasarım mühendislerinden Thomas Corke yaptığı açıklamada NASA destekli demonstrasyon projesi kapsamında rüzgâr tüneli için geliştirilen plazma aktüatörler ile 100 kat daha az enerji ile 20 kat daha fazla itme gücü ve bunun yanı sıra sürüklenme miktarında %65 azalma elde etmiş olduklarını ifade etmiştir. Rüzgâr türbinine uygulandığında ise enerji kazanımında %10 artış ve rotor kanadı üzerindeki rüzgâr yükünde büyük ölçüde azalma gözlenmiş bu sayede daha uzun ömürlü olmaları sağlanmıştır. Thomas Corke sonuçları Predator UVA (İHA) tipi bir uçak için ölçeklendirdiğinde, plazma aktüatör eklenmesi durumunda etki aralığının %300 arttığını ve dayanıklılığının 24 saatten 36 saate çıktığını belirtmiştir. Kullanım kolaylığı ve düşük maliyet talebi artıran başlıca etkenlerdir.

Verimliliği artırması dışında plazma, yüzeye olan etkisiyle de gündeme gelmeye başladı. Sürtünme etkisini artırmak veya azaltmak için farklı uygulama yöntemleri geliştirildi. Bu uygulamalar, söz konusu mekanizmanın kontrolünü daha iyi yapabilmek içindi. Çoğunlukla sürtünme etkisini azaltmak için yapılan bu işlemler, hareket kolaylığı sağlıyordu. Yapılan çalışmalar sırasında aynı zamanda iyonize gazın radar sinyallerini de absorbe ettiği keşfedildi. Askeri araçlarda plazmanın bu amaçla kullanılabilmesi için çalışmalar aktif olarak yürütülmektedir.

Özetle, plazmanın kullanıldığı/ kullanılabileceği alanlar artmaya devam etmektedir ve bu anlamdaki çalışmalar gelişen teknoloji açısından büyük önem arz etmektedir. Havacılık sektöründeki yatırım ve maliyetlerin büyüklüğü, plazma alanındaki çalışmaların devamı için tetikleyici bir unsur haline gelmiştir.

UZAY SEKTÖRÜNDE SOĞUK PLAZMA

Son yıllarda plazma fiziği topluluğu havacılık ve uzay araştırmalarına dahil oldu. Bu alanda plazmaların birçok farklı uygulaması vardır. Gelecekteki uzay göz önüne alındığında, Dünya’ya ve ayrıca Mars gibi gezegenlere iniş yapmak için uzay araçlarının atmosferik girişi büyük ilgi gören bir konudur. Bu bağlamda, zayıf iyonize gazları tanımlamak için yaygın olarak kullanılan, durumdan duruma modeli olarak adlandırılan teorik bir yaklaşım, üst atmosferdeki giriş aracının önündeki şok dalgasındaki dengesizliği tanımlamak için temeldir. Bu yaklaşım aynı zamanda yer testi tesislerini (plazma rüzgar tünelleri) tanımlamak için de faydalıdır.

Uzay alanında hali hazırda uygulanan en önemli Plazma teknolojisi, Hall iticilerdir. Hall iticiler uyduları yönlendirmek ve konumlandırmak için kullanılır ve hala üzerine çalışmalar yapılmaktadır. Aynı zamanda plazma jetleri ve lazer tahriki gibi plazma teknolojileri için de araştırma ve geliştirme çalışmaları yapılmaktadır.

Plazma destekli yanma yöntemi, roket motorlarında kullanılmaktadır. Kullanım amacı yakıt verimliliğini artırmaktır. Uzayda yakıt olarak metan gazı da kullanılmaktadır fakat hem gidiş hem dönüş için metan gazı yeterli enerjiyi karşılayamamaktadır. Bu durum plazmayı ve plazma teknolojilerini verimliliği artırması sebebi ile cazip bir seçenek haline getirmiştir. Plazma destekli yanmanın başka bir uygulaması, hidrojenin itici gaz olarak kullanıldığı SCRAMJET motorlarında olduğu gibi süpersonik akış koşullarında sürecin sürdürülmesidir. Süpersonik akışta alev oldukça kararsızdır ve yanmayı sürdürmek için nanosaniyelik deşarjlar ve Dielektrik Bariyer Deşarjı (DBD) cihazları geleceğe yönelik umut verici cihazlardır.

Başka bir plazma uygulaması, bir elektromanyetik alan aracılığıyla akış özelliklerinin kontrol edilmesidir. Darbeli deşarjın akış özelliklerini değiştirdiği ve özellikle türbülansa geçişi kontrol ederek gürültünün azaldığı gösterilmiştir Akışın kontrol edilmesi aynı zamanda çalışma koşulları çok sınırlı olan SCRAMJET ile de ilgili bir husustur, çünkü akışın motora yalnızca aracın tasarımı tarafından belirlenen belirli bir konfigürasyonda girmesi gerekir. Çalışma koşullarını genişletmek için plazma akış kontrolü kullanılabilir.

Bir diğer plazma özelliği, plazmanın iyonize gazın radar sinyallerini absorbe etmesi, gezegene dönen uzay aracı için ciddi bir sorundur çünkü bu etkinin bir sonucu olarak yer istasyonundan, dönen kapsülün yörüngesini takip etmek zorlaşır. Ancak aynı etkiden, askeri uçakların radar tarafından fark edilmemesi şeklinde yararlanmak mümkündür. Bunun için “plazma görünmezlik” adı altında çalışmalar başlatılmıştır. (İbrahimoğlu vd. 2017)