Elastokalorik malzemeler süpersonik hızda seyreden uçakların kurtarıcısı olabilir mi?

Wright kardeşlerin gerçekleştirdiği ilk başarılı uçuştan sonra gelişen hava araçlarının ticari ve askeri amaçlı kullanılması havacılık sanayiine büyük bir ivme kazandırmıştır. Gelişim aşamasında uçaklar yavaş hızlarda hareket ederken, II. Dünya Savaşı yıllarında gaz türbinli motorların icadının ardından daha yüksek hızlarda uçma imkânı bulunmuştur. 50’li yılların sonlarına doğru ise süpersonik uçuşlara elverişli teknolojiler geliştirilmiştir. Ancak süpersonik ve diğer üstü hızlardaki uçuşlarda çeşitli sorunlar ortaya çıkmaktadır. Yazıda bu sorunlardan kısaca bahsedip gelecek vadeden şekil hafızalı malzemelere ve soğutmada nasıl kullanılabileceğine yer verilmiştir.

0.8 Mach ve altı hızlar subsonik hızlar olarak adlandırılır. Subsonik hızlarda uçaklar yoğun sürtünmeye maruz kalmadığından termal gerilmeler oluşmaz. Bununla birlikte, yüksek irtifada hava soğuduğundan subsonik hızlarda buzlanma meydana gelir ve buzlanma uçuşlarda bazen sorun teşkil edebilir. Ancak süpersonik hızlarda oluşan yüksek sürtünme ve aerodinamik ısınma süpersonik uçuşlarda karşılaşılan en büyük problemdir. Uçak, süpersonik hızlarda hava molekülleri tarafından taşınan kinetik enerjiyi havanın viskozitesine ve hızına bağlı bir oranda sıkıştırır. Bu durum uçakta yüzey sürtünmesinden kaynaklı aerodinamik bir ısınmaya neden olur.

Aerodinamik ısınmanın neden olduğu en büyük sorun, uçağın sertliğini etkileyen termal gerilmedir. Uçak yüksek hızda seyrettiği zaman kanat sıcaklığı uçağın seyrettiği hıza göre doyma sıcaklığına ulaşır. Oluşan daha küçük ısı kapasitesi nedeniyle kanadın en ince kısmındaki sıcaklık, kanadın en kalın kısmından daha yüksek bir sıcaklığa ulaşır. Kanadın sertliği kanat kirişi boyunca sıcaklık değişimleri nedeniyle azalır, bu durum ön ve arka kenarda sıkıştırma gerilimine, orta noktada bölünme ve çekme gerilimine sebep olur. Genel olarak uçaklarda yaygın olarak kullanılan 2000 serisi alüminyum alaşımı aerodinamik ısınmaya maruz kaldığında kararsız hale gelerek gücünü kaybeder ve plastik deformasyona uğrar. Yapısal sorunların yanında kanat altlarına yerleştirilen hayati elektronik bileşenler de bu ısınmadan ciddi manada etkilenir. Ayrıca bu ısı kokpit içerisine de nüfuz ederek pilotların hayatını da tehlikeye sokar.

Uçaklarda Soğutma Amacıyla Kullanılabilecek Yöntemler

Süpersonik hızlarda ortamda düşük sıcaklıkta hava bulunmadığından soğutma işleminin yapılması daha karmaşık bir hale gelmektedir. Halihazırda kullanılan soğutma yöntemleri düşük sıcaklıktaki yakıtın soğutucu olarak kullanılması ve faz değiştiren malzemeler ile soğutma olarak sıralanabilir. Kullanılan bu yöntemler pozitif veya negatif sıcaklığın depolandığı bir pil gibi düşünülebilir. Bu yüzden depolanan her enerji gibi sadece sınırlı miktarda depolanabilirler. Bu durum sürekli süpersonik uçuşların önündeki en büyük engellerden biridir. Süpersonik hızlara çıkıldığında subsonik hızlarda olduğu gibi hava bir soğutucu olarak düşünülemez. Hava bir soğutucu olarak kullanılamayacağı için ısının başka bir enerji biçimine dönüştürülerek bertaraf edilmesi gerekir. Isının en kolay dönüştürebileceği enerji biçimi hareket enerjisidir.

Isı birkaç yöntem ile hareket enerjisine dönüştürülebilir ancak kullanacak yöntem sadece sıcak akışkanı hareket enerjisine dönüştürecek bir yöntem olmalıdır. Örneğin strling motorları gibi sıcak ve soğuk akışkanı kullanarak sıcaklık farkını hareket enerjisine dönüştüren sistemler, ortamdaki ihtiyaç duyulan soğuk akışkanı da kullanacağından bu sorunun çözümünde fayda sağlamayacaklardır. Yeni bir teknoloji olan ve henüz araştırma, geliştirme sürecinde olan elastokalorik malzemeler (gizli ısının serbest bırakıldığı veya emildiği, stres kaynaklı tersinir faz dönüşümleri yapabilen katılar), şekil hafızalı alaşımlar ile ortamdaki ısıyı bertaraf etme konusunda umut verici bir gelecek vadediyor.

Şekil hafızalı alaşımların dış etkenlerden dolayı bozulan geometrik yapısı belirli bir ısı uygulanarak tekrar gerçek geometrisine döndürülebilir. Bu malzemeler kristal yapılarındaki martensit ve östenit faz dönüşümleri sayesinde şekil değişimi yapabilmektedirler. Şekil hafızalı alaşımlar düşük sıcaklıklarda martensit yapısındadır, kolayca deformasyona uğrayan bu malzeme, belirli bir sıcaklıkta ısıtıldığında yüksek sıcaklık fazı olan östenit fazına geçerek deforme edilmeden önceki orijinal şeklini alır. Bu tarz malzemeler sadece ısıtıldıklarında eski haline dönebildiklerinden tek yönlü şekil hafızalı malzemeler olarak adlandırılırlar. Bu malzemeler ortamdan ısı emerek orijinal şekline döndüğünden bir soğutma etkisine sebep olurlar.

Elastokalorik Soğutma

Elastokalorik soğutma, erken aşamada araştırma ve geliştirme sürecinden geçen yeni bir alternatif katı hal soğutma teknolojisidir. Termoelastik soğutma olarak da bilinen soğutma biçimi ayrıca günümüzde kullanılan buharlı soğutma sistemlerine de alternatif bir çözüm sunabilir. Buradaki temel prensip şekil hafızalı alaşımların döngüsel tek eksenli yükleme ve boşaltma stresine maruz kaldıklarında bulunan martensitik faz dönüşüm süreci ile ilişkili gizli ısıya dayanır. Yani şekil hafızalı malzemeler uygulama sıcaklığında stressiz durumda östenit fazındadır. Şekil hafızalı malzemeler bir strese maruz kalıp doyma gerilimi aşıldığında östenit fazından martensit fazına dönüşmeye başlarlar. Faz dönüşüm sırasında entropi azalır ve ortama gizli ısı salınır. Ancak şekil hafızalı malzemenin bulunduğu ortam ısıtıldığında malzemenin entropisi artar ve malzeme martensit fazından tekrar östenit fazına geçiş yapar. Bu faz değişimini yaparken ortamdan ısıyı emerek bir soğutma etkisi yaratır.

Örneğin elastokalorik soğutma temeline dayanan bir soğutma makinesinde kullanılacak şekil hafızalı alaşımlar stressiz durumda östenit fazındayken tek yönlü kuvvet uygulanarak martensit fazına dönüştürülür. Uçak kanatları ve elektronik ekipmanlara yerleştirilen ve ısı transfer sıvısı taşıyan ısı borularıyla aerodinamik ısınmadan kaynaklanan sıcaklık tasarlanan soğutma makinesine aktarılabilir. Stres altındaki ve martensit fazında olan alaşım ısı transfer sıvısıyla taşınan sıcaklığı emerek alaşımı martensit fazından östenit fazına çevirir ve alaşım orijinal şekline geri döner. Bunun gibi yapılacak çevirimler sayesinde ısının ortamda soğuk havaya ihtiyaç duyulmadan bertaraf edilmesi sağlanabilir.

Dünyada literatür örneğinde birkaç tip elastokalorik soğutma makinesi prototipi yapılmıştır. Bunlardan biri de aşağıdaki şekilde yer alan ve temel prensibi çekme tahrikine dayanan elastokalorik soğutma makinesidir.  Bu makine içerisinde Nikel Titanyum (Ni-Ti) kullanılmıştır. Çoklu yapıdaki Ni-Ti teller paralel olmayan ve senkronize dönen iki plaka arasına monte edilmiştir. Şekilde gösterilen B noktasındaki iki plaka arasındaki mesafe A noktasındaki plakalar arası mesafeden uzundur. İki plakanın da eş zamanlı döndürülmesi Ni-Ti alaşımı üzerinde stres ve deformasyona neden olur. Bu durum Ni-Ti tellerinin martensit fazına geçmesine neden olur. Ni-Ti teller B noktasına ilerlerken gizli ısıyı serbest bırakır. B noktasına ulaşan Ni-Ti teller ortamdan ısıyı emmek ve soğutma sağlamak için ters faz dönüşümüne başlar. Bu sayede ısı Ni-Ti tellere aktarılarak bir sonraki çevrime hazır hale getirilir.

Sonuç olarak elastokalorik soğutma prensibine dayalı şekil hafızalı malzemeler ile soğutma ısının bertaraf edilmesinin zor olduğu her ortamda kullanabilmek için umut vadediyor. Bu sistemde istenilen performans elde edilebilirse uçaklarda sürekli supersonic seyirin önündeki engel kalkmış olacak. Sağlanan soğutma uzun uçuş görevlerinde ve okyanus ötesi uçuşlarda zamandan büyük tasarruf sağlayacaktır. Ayrıca atmosferden ayrılma araçları gibi hypersonic hızda hareket eden ve yoğun hava sürtünmesine maruz kalan araçların soğutulmasında da başarılı bir şekilde kullanılırsa ısı kalkanları gibi ağırlığı artıran materyallere ihtiyaç duyulmayacaktır. Bu sayede yakıttan tasarruf edilebilecek ve araçtaki faydalı yük miktarı artırılabilecek. Ayrıca günlük hayatımızda gaz tipi soğutucuların yerine kullanılacak elastokalorik soğutucular sayesinde atmosfere zarar vermeyen daha çevreci makineler kullanılması sağlanabilir.

Kaynaklar

1. A review of elastocaloric cooling: Materials, cycles and system integrations – SuxinQian, YunlongGeng, Yi Wang, Jiazhen Ling , Yunho Hwang ,Reinhard Radermacher, IchiroTakeuchi, JunCui
2. Şekil Hafızalı Alaşımlar ve Endüstriyel Uygulamaları, Duygu Çetiner, A heat driven elastocaloric cooling system
3. A heat driven elastocaloric cooling system – SuxinQian, Yoo Wang, Lifen Yuan, Jianlin Yu

Berkay Gökçek

Makine Mühendisi, savunma teknolojileri alanında yüksek lisans yapıyor. Savunma ve havacılık konularıyla ilgileniyor.