31 Temmuz 1960'ta Sovyet gençlik gazetesi Komsomolskaya Pravda, Leningradlı genç mühendis Yuri Artsutanov'un kısa bir yazısını yayımladı. Artsutanov, yer eşzamanlı yörüngedeki bir uydudan Dünya'ya bir halat sarkıtmayı ve bu halat boyunca kapalı vagonlu elektrikli trenler çalıştırmayı öneriyordu.1 Ona göre uzaya gitmek, Moskova'dan banliyöye trenle gitmekten biraz daha zahmetli olacaktı.

Amerikalı mühendis Jerome Pearson aynı fikre Artsutanov'dan habersiz ulaştı ve 1975'te hesaplarıyla birlikte yayımladı.2 Fikir o günden beri kâğıt üzerinde. Sebebi, kilogram başına 48 megajul tutan bir hesap: aynı sayı hem asansörün harcayacağı enerjiyi hem de halatın taşıması gereken yükü belirliyor.

Bu yazıda neler var?

Kilogram başına 48 megajul

Ekvatorda yerden kalkan bir yük iki etkiyle karşılaşır. Yerçekimi onu aşağı çeker. Halat Dünya ile birlikte döndüğü için yük ayrıca dışarı doğru bir merkezkaç etkisi hisseder. Yerde bu ikinci etki çok küçüktür, yükseldikçe büyür ve 35.786 kilometrede yerçekimine eşitlenir. Orası yer eşzamanlı yörüngedir; orada duran bir cisim düşmeden, Dünya'yla aynı hızda döner.

Yükü yerden bu noktaya taşımak için tırmanıcının motorunun yapması gereken iş kilogram başına yaklaşık 48 megajuldür.34 Elektrik faturasının birimiyle 13,5 kilovatsaat eder. Bir kilogram benzin yandığında 44,3 megajul ısı verir.5 Yani yörüngeye çıkan her kilogram için bir kilogram benzinin enerjisinden biraz fazlası gerekiyor.

Çizgi grafik: ekvatordan yükseldikçe 1 kilogram yük için gereken iş hızla artıyor, 35.786 kilometrede yaklaşık 48 megajulde tepe yapıyor, sonra yavaşça düşüyor
Eğri 35.786 kilometrede tepe yapıyor. Bu yüksekliğin üstünde merkezkaç etkisi yerçekimini geçiyor ve yük halatı dışarı doğru çekiyor. Grafik: kafa1milyon; Dünya'nın kütle ve dönüş değerleriyle hesaplandı.

Yük yörüngeye vardığında saniyede yaklaşık 3,07 kilometre hızla dönüyor. Bu hızın enerjisini motor ödemiyor. Tırmanıcı yükseldikçe halatı geriye doğru iter, Dünya'ya bağlı halat da yükü yana doğru hızlandırır. Kilogram başına yaklaşık 9 megajul bu yoldan gelir ve bedelini Dünya'nın dönüşü öder; gezegen ölçülemeyecek kadar az yavaşlar. Pearson 1975 makalesinde yapıya "Dünya'nın dönme enerjisini kullanan bir uzay aracı fırlatıcısı" adını verdi.

Aynı sayı halatı da sınırlıyor

Halatın her parçası, altında asılı duran halatın ağırlığını taşır. Kalınlığı her yerde aynı olan bir halatta en büyük gerilme yer eşzamanlı yörüngede, asılma noktasında oluşur. Bu gerilmenin malzemenin yoğunluğuna oranı yine kilogram başına 48 megajul çıkar. Fizikçiler bu oranı özgül dayanım diye adlandırıyor. Yerçekimi her yükseklikte yer yüzeyindeki kadar güçlü olsaydı, bu dayanımdaki bir halat kopmadan 5.000 kilometreye yakın sarkabilirdi.

Mühendisler daha zayıf malzemeyi halatı yukarıda kalınlaştırarak kullanmayı düşünüyor. Gereken kalınlaşma ise malzemenin açığıyla üstel büyüyor. Worcester Politeknik Enstitüsü'nden P. K. Aravind'in 2007'de American Journal of Physics'te verdiği tabloya göre çelik bir halatın yörüngedeki kesiti yerdekinin 1,6×1033 katı olmalı.3 Kevlar'da oran 2,5×108. Kusursuz bir karbon nanotüp, 130 gigapaskal dayanım ve metreküpte 1.300 kilogram yoğunlukla, 1,6 katta kalıyor.

Logaritmik yatay çubuk grafik: halatın yörüngedeki kesitinin yerdekine oranı çelikte 1,6 çarpı 10 üzeri 33, Kevlar'da 2,5 çarpı 10 üzeri 8, 2026 nanotüp lifinde güvenlik payıyla 410 bin, paysız 637, kusursuz nanotüpte 1,6
Malzemenin özgül dayanımı 48 megajulün ne kadar altındaysa halatın yukarıdaki kalınlığı o kadar üstel büyüyor. Grafik: kafa1milyon; veri Aravind 2007 ve Wang ve ark. 2026.
Rakamlarla
48 MJ/kg
Yer yüzeyinden yer eşzamanlı yörüngeye bir kilogram yük için tırmanıcının yapması gereken iş; kalınlığı sabit bir halatın gereken özgül dayanımı da bu kadar.Aravind, Am. J. Phys., 2007
12,5 GPa
Temmuz 2026'da ölçülen en güçlü uzun nanotüp lifinin çekme dayanımı.Wang ve ark., Nature Communications, 2026
150 GPa
Obayashi'nin 96.000 kilometrelik kablo tasarımında varsaydığı dayanım.Obayashi Teknik Araştırma Raporu No. 85, 2021
19,7 km
1996'daki STS-75 görevinde koptuğu anda açılmış Kevlar halat uzunluğu.NASA TSS-1R İnceleme Kurulu, 1996
Uzay yazıları e-postana gelsin mi?
Haftada bir, böyle yazıları tek e-postada gönderiyoruz. Reklam yok, istediğin an tek tıkla ayrılırsın.

Laboratuvardaki en güçlü lif

Tsinghua Üniversitesi'nden Fei Wei'nin ekibi 2018'de kusursuz, uzun nanotüplerden santimetre boyunda demetler üretti ve 80 gigapaskalın üstünde dayanım ölçtü.6 Makaleye göre nanotüpler lif hâline getirildiğinde kusurlar, düzensiz dizilim ve kesintili boylar dayanımı düşürüyor.

Uzun lifte bugünkü rekor 2 Temmuz 2026'da Nature Communications'ta yayımlandı. Doğu Çin Bilim ve Teknoloji Üniversitesi'nden Jian Nong Wang'ın ekibi, hazır nanotüp liflerine yüksek hızda etanol püskürterek tüpleri hizaladı ve sıkıştırdı. Lifin dayanımı 12,5 gigapaskala, özgül dayanımı kilogram başına 7,5 megajule çıktı.7 Bu, gereken 48 megajulün yüzde 15'i. Aynı formüle konunca halatın yörüngedeki kesiti yerdekinin 637 katı oluyor. Bradley Edwards'ın NASA destekli tasarımındaki iki katlık güvenlik payı eklenince oran 400 bini geçiyor.4

Japon inşaat şirketi Obayashi 2012'de 2050 hedefli bir uzay asansörü planı açıkladı. Şirketin 2021 tarihli teknik raporu kablo için 150 gigapaskal varsayıyor: 20 tonluk ilk kablo, tırmanıcıların 510 seferde eklediği şeritlerle 7.000 tona kalınlaştırılacak.8 Rapor başka bir sınırı da hesaplamış. Kablonun tamamı boyunca, 10 santimetreden büyük bir uzay çöpü parçasıyla yaklaşık 100 günde bir çarpışma bekleniyor.

Kopan halat ve geri alınan enerji

Uzayda halatla yapılan deneyler, dayanımın tek sorun olmadığını gösterdi. NASA ile İtalyan Uzay Ajansı'nın bağlı uydu deneyinde, 25 Şubat 1996'da Columbia mekiğinden açılan Kevlar halat 19,7 kilometreye ulaştığında koptu. Halattaki gerilme yalnızca 65 newtondu, yani 6,6 kilogramlık bir ağırlığa denkti. İnceleme kurulu, yalıtımdaki bir delikten geçen elektrik arkının Kevlar liflerin çoğunu yaktığını buldu.9

Mavi zemin üzerinde ince beyaz bir çizgi: halat koptuktan sonra Columbia mekiğinden uzaklaşan TSS-1R uydusu ve ucundaki halat parçası
Halat koptuktan sonra Columbia'dan çekilen fotoğrafta TSS-1R uydusu ve halatı uzaklaşıyor. Fotoğraf: NASA, STS-75, 1996; kamu malı, Wikimedia Commons.

Enerji tarafında asansörün bir üstünlüğü var. İlk grafikteki eğri tepe noktasından sonra iniyor: yer eşzamanlı yörüngenin üstünde yük halatı dışarı çekiyor. Pearson, aşağı inen yüklerin enerjisi geri kazanılırsa sürtünme ve dönüşüm kayıpları dışında enerji harcamadan başka yüklerin yukarı çıkarılabileceğini hesapladı.2 Aravind'e göre Dünya'nın merkezinden 107.000 kilometre uzaktaki bir noktadan bırakılan araç, Güneş'ten 5,3 astronomik birim uzağa, yani Jüpiter'in yörüngesine kadar ulaşabilir.

Tırmanıcıyı yörüngede denemek için Shizuoka Üniversitesi'nin STARS-Me uydusu 6 Ekim 2018'de Uluslararası Uzay İstasyonu'ndan bırakıldı. İki küp uydu arasında yaklaşık 10 metrelik bir şerit ve üzerinde 6 santimetrelik bir tırmanıcı vardı. Uydulardan birinin sinyali hiç alınamadı ve tırmanıcının şerit üzerinde yürüdüğü doğrulanamadı.10

Tırmanıcının harcayacağı enerji de küçük değil. Obayashi'nin planladığı 100 tonluk bir tırmanıcı yörüngeye çıkarken yaklaşık 1,35 gigavatsaat harcar. Şirketin 2021 raporundaki 7 günlük yolculuğa bölündüğünde bu, kesintisiz ortalama 8 megavat güç demek. Wang ekibinin 12,5 gigapaskallık lifi ile Obayashi'nin varsaydığı 150 gigapaskal arasında 12 kat fark var ve şirketin 2050 hedefine ulaşması için bu farkın kapanması gerekiyor.

Dipnotlar ve Kaynaklar

  1. Artsutanov, Y. (1960). "V kosmos na elektrovoze" (Elektrikli trenle uzaya). Komsomolskaya Pravda, 31 Temmuz 1960. İçeriğin İngilizce aktarımı: Lvov, V. (1967). "Sky-Hook: Old Idea". Science 158(3803): 946-947. doi.org/10.1126/science.158.3803.946 ↩
  2. Pearson, J. (1975). "The orbital tower: a spacecraft launcher using the Earth's rotational energy". Acta Astronautica 2(9-10): 785-799. doi.org/10.1016/0094-5765(75)90021-1 ↩
  3. Aravind, P. K. (2007). "The physics of the space elevator". American Journal of Physics 75(2): 125-130. doi.org/10.1119/1.2404957 ↩
  4. Edwards, B. C. (2000). "Design and deployment of a space elevator". Acta Astronautica 47(10): 735-744. doi.org/10.1016/S0094-5765(00)00111-9 ↩
  5. IPCC (2006). 2006 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories, Cilt 2, Bölüm 1, Tablo 1.2: motor benzini net ısıl değeri 44,3 TJ/Gg. ipcc-nggip.iges.or.jp ↩
  6. Bai, Y., Zhang, R., Ye, X. ve ark. (2018). "Carbon nanotube bundles with tensile strength over 80 GPa". Nature Nanotechnology 13: 589-595. doi.org/10.1038/s41565-018-0141-z ↩
  7. Wang, J. N., Chen, Y. T., Zhang, H. ve ark. (2026). "Improvement of the tensile strength of carbon nanotube fibers to 12.5 GPa by fluidics-induced alignment and densification". Nature Communications 17. doi.org/10.1038/s41467-026-75150-1 ↩
  8. Fuchita, Y., Otsuka, K., Omoto, E., Ishikawa, Y., Hitomi, T. (2021). "Recent Research Efforts towards Construction of Space Elevator". Obayashi Teknik Araştırma Enstitüsü Raporu No. 85. obayashi.co.jp; ayrıca Obayashi, "The Space Elevator Construction Concept". obayashi.co.jp/en ↩
  9. NASA (1996). TSS-1R Mission Failure Investigation Board, Final Report. NASA Technical Reports Server 19970011947. ntrs.nasa.gov/citations/19970011947 ↩
  10. Nohmi, M. ve ark. (2019). "Past Results and Future Missions of STARS Series Satellite". 27th International Symposium on Space Flight Dynamics (ISSFD). issfd.org ↩

Kapak: STS-46 görevinde Atlantis'ten açılan TSS-1 uydusunun Kevlar halatı, 1992. NASA, kamu malı, Wikimedia Commons.

Kategoriler ve Etiketler
Bilim uzay asansörü potansiyel enerji karbon nanotüp yörünge malzeme bilimi uzay
Bu yazıyı paylaş
kafa1milyon

kafa1milyon

Meraklı bir kafa. Bilimsel makaleleri, arşiv belgelerini ve saha notlarını okuyup gündelik dile çeviriyor; bilinmeyeni bilinmiyor diye yazmaktan çekinmiyor.