İNSANSIZ HAVA ARAÇLARIYLA ELEKTRİK YÜKLEMESİ YÖNTEMİYLE BULUT TOHUMLAMA

Elektrik yüklemesi, yağmur oluşturmak maksadıyla bulut tohumlamanın yanı sıra, insan sağlığı için tehlike arz eden yoğun sisin dağıtılması ve yüksek elektrik yüklü bulutların nötralize edilmesi için de kullanılabilir.

 Ercan CANER, Sun Savunma Net, 07 Ağustos 2021

Elektrik yüklemesi bulut tohumlama deneylerinde kullanılan Skywalker X8 modeli insansız hava aracı (İHA).

Bu yazı R. Giles HARRISON, Keri A. NICOLL, Douglas J. TILLEY, Graeme J. MARLTON, Stefan CHINDEA, Gavin P. DINGLEY, Pehman IRAVANI, David J. CLEAVER, Jonathan L. DU BOIS ve David BRUS tarafından 14 Ekim 2020 tarihinde kaleme alınan ‘‘Demonstration of a Remotely Piloted Atmospheric Measurement and Charge Release Platform for Geoengineering – Uzaktan Komuta Edilen Atmosferik Ölçüm ve Yükleme Platformunun Jeomühendislik Uygulaması Konsept Gösterimi’’ başlıklı makalenin özetidir.

İklim değişikliği hava paternlerini değiştirirken ve bazı bölgelerde ağır kuraklıklar diğer yerlerde de ciddi sel baskınlarına neden olurken havanın kontrol edilmesi ve dğiştirilmesine yönelik ilgi giderek artrmaktadır. World Wildlife Fund’a göre 2025 yılına kadar dünya nüfusunun üçte ikisi su yetersizliği problemi ile karşı karşıya kalabilir.

Bulut Tohumlama

Bulut Tohumlama, yağış miktarı ve türünü değiştirmek için bulutların içine başta gümüş iyodür olmak üzere çeşitli kimyasal maddeler serpiştirerek bulutlarda meydana gelen fiziksel süreçleri etkilemek için kullanılan bir hava modifikasyonu yöntemidir. Yapay yağmur oluşturmakta kullanılan ve Birleşik Arap Emirlikleri’nde yapılan testlerde başarılı sonuçlar alınan bir başka teknik ise bulutlar ve su damlacıklarının nispeten yoğun olduğu alanlara elektrik yüklemesi yapılmasıdır.

Bulut içinde elektrik yükü yayımı, damlacık yüklemesi ve damlacık büyütmenin kavramsal resminde bulut elektrik yükü ile yüklendiğinde su damlacıkları birleşerek büyümektedir. Elektrik deşarj iyonları, bulut içinde uçabilen, bu iş için tasarlanmış bir İHA tarafından serbest bırakılmakta ve su damlacıklarına elektrik yüklemektedir. Elektrik yüklemesi sayesinde serbest kalan iyonlar bulut içindeki su damlacıklarına tutunarak onların artan bir oranda büyümelerine neden olmaktadır. Bulut içindeki su damlacıklarının büyüme oranında artışa neden olan elektrik yüklemesi sayesinde yağış gerçekleşmektedir.

ÖZET: Alçak atmosferde her zaman elektrik yükü bulunmaktadır. Havada bulunan damlacıklar veya çok küçük parçacıklara (aerosol) elektrik yükü uygulandığında; çarpışma, buharlaşma ve çöküntü gibi davranışları etkilenerek değişmektedir. Yapay yükleme; sis, bulut ve yağmur düşmesini değiştirmekte potansiyel olarak kullanılabilecek, ancak henüz tam olarak keşfedilmeyen bir tekniktir.

Atmosfere elektrik yüklemesinin sonuçlarını deneysel olarak gözlemlemek maksadıyla uzaktan komuta edilen bir insansız hava aracı (İHA) geliştirilmiştir (Skywalker X8). İHA üzerinde,  nominal yayma akımı ±5 µA olan kontrol edilebilir çift kutuplu yük yayıcılar her iki kanat altına yerleştirilmiştir.

İHA üzerinde ayrıca optik bulut ve meteoroloji sensörleri de yerleştirilmiştir. Sensörler elektrik yüklemesi yapılacak bölgeleri kendileri belirlemekte ve uygun alan tespit ettiklerinde elektrik yüklemesini başlatmaktadır.

1. Giriş

Atmosferde bulunan elektriğin su damlacık bulutlarını etkilediği uzun süreden beri bilinmektedir. Bu alanda son zamanlarda yapılan deneysel ve teorik çalışmalar da elektrik yüklemesinin gerçekten de damlacık çarpışmaları ve birleşmelerini etkilediğini ve deneysel bulgular da bölgesel iyon salınımının yağış değişiklikleriyle bağlantısı olduğunu ortaya koymuştur.

Elektik yüklemesi; yağmur oluşturmak için bulut tohumlamanın yanı sıra, tehlike arz eden yüksek elektrik yüklü bulutların nötralize edilmesi ve özellikle havaalanları üzerinde oluşan ve insan sağlığı açısından risk oluşturacak yoğunluktaki sisin dağıtılması maksadıyla da kullanılabilir.

Uzaktan komuta edilen İHA’lar ile bulutların içinde ve su damlacıklarının olduğu alanlarda, damlacıkların elektrostatiğini değiştirmek potansiyel bir jeomühendislik tekniğidir. Uzaktan komuta edilen İHA; düzenli bir şekilde bulut içinde elektrik yüklemesi yapabilen ve bölgesel su damlacık ebatlarını ölçmenin yanı sıra, termodinamik ve elektriki koşulları izleyebilen sistemlerle donatılmıştır.

2. Elektrik yüklemede dikkate alınacak hususlar

Su damlacıklarını elektrik yükleme işi uygun alanlarda iyon salınımı yoluyla gerçekleştirilmekte, iyonların birleştiği su damlacıklarının özellikle çarpışma davranışları değişmektedir.

1. Yüklenen damlacıkların özellikleri

Yüklenen bir su damlacığı, yüklenmiş veya yüklenmemiş başka bir damlacığa yaklaştığında ikinci damlacıkta bir yükleme başlatmakta, bu da orijinal yüklü damlacıkta ilave bir yüklemeye neden olmaktadır. Bu süreç sınırsız olarak devam etmekte ve yüklü su damlacıkları aralarında elektrik kuvvetlerine sahip sınırsız bir elektrostatikleşme oluşturmaktadır.

Bilim insanı Nikola Tesla (1856-1943) yüksek gerilim hattı direkleri çevresinde oluşan yoğun sisi gördüğünde, tarım alanlarının sulanmasında kullanılmak maksadıyla sınırsız miktarda su oluşturabileceği sonucuna varmıştır. Kaynak: Fine Art America

Yüklü su damlacıklarının yüklenmemiş su damlacıklarına oranla birleşme katsayısı çok daha yüksektir, işte bu nedenle su damlacıkları yapay olarak elektrikle yüklendiklerinde birleşme yağmur oluşumuna katkı sağlayabilir.

Yük yayıcısı blok diyagramı. İki adet minyatür yüksek gerilimli jeneratör, yayıcı uçta yeterli bir deşarj oluşturmak için kullanılır. Yüksek gerilim voltajı bir mikro kontrolör tarafından ayarlanmaktadır.

Tek şarj yayıcı kavramsal diyagramı. Kontrollü yüksek voltaj, yayıcı uca (siyah ok) ve Şekil 2’de gösterilen izole ölçüm sistemiyle belirlenen deşarj akımına uygulanır.

     b. Elektrik yüklemesi için gereksinimler

Bir su damlacıkları yoğunluğu veya buluta elektrik yüklemesi iyon salınımı ile yerden veya hava aracından gerçekleştirilmektedir. Yüzey yayım sistemleri büyük tesisler gerektirmekte ve oluşturulan iyonların bulutlara ulaşabilmesi için doğal kaldırıcı hava akımları ve yükselmeye ihtiyaç duymaktadır.

Yüzeyde oldukça büyük miktarda iyon yaratılsa da kaldırıcı hava akımları ve tırmanmaya olan ihtiyaç nedeniyle, dikey tırmanma eksikliği en büyük dezavantajdır ve yeteri kadar iyon bulutlara ulaşamayabilmektedir.

Hedeflenen bulutlara bir hava aracı ile müdahale etmek, elektriki olarak etkilenebilecek küçük su damlacıklarının yerlerinin belirlenmesi ve yükleme akımı kolayca oluşturulduğundan fazla ağırlığa ihtiyaç duymaması nedeniyle avantajlıdır ve küçük İHA’lar ile yapılabilir.

Skywalker X8 Modeli İnsansız Hava Aracı

     3. Hava aracı yükleme yayıcıları

Yükleme yayıcıları, bir karbon fiber fırça üzerinden yüksek voltajlı deşarj iyonlarını yayarlar. Birbirinden bağımsız olarak artı ve eksi şarj olarak ayarlanabilen iki ayrı tek kutuplu yayıcı kullanılmaktadır. Her bir yayıcının akımı seçilen çalışma voltajına göre değişmektedir ve hava aracı sistemi üzerinden uzaktan kontrol edilebilir. Yayıcılar sadece 100 gram ağırlığındadır ve 12 V güç ile çalışmaktadır.

Her bir yükleme yayıcısı üzerindeki  veriler hava aracı veri sistemi tarafından kaydedilir. Her bir yayıcı üzerinde bir mikro kontrolör bulunmaktadır. Yayıcı akımı uçuş esnasında azami verim maksadıyla ayarlanabilmektedir.

4. Hava aracı üzerindeki donanımın yerleşimi

Uzaktan komuta edilebilen platform olarak piyasadan temin edilebilen Skywalker X8 modeli İHA seçilmiştir. X8 İHA bulutların içine girmesini sağlayan uzun bir menzile sahiptir ve 3 kilometre kadar irtifaya tırmanabilir. Kanat açıklığı 2,1 metre ve azami kalkış ağırlığı da 5 kilogramdır.

Skywalker X8 İHA ve Cihazların Yerleşme Düzeni

Bilimsel donanımı burnuna yerleştirilen bir bölme içinde taşıyabilmektedir. Pixhawk 2.1 Cube modeli oto pilot ve Arduplane yazılımı ile uçmaktadır. 3000 ve 4000 mAh gücünde bataryalar sırasıyla üzerindeki sistemler ve itki motorunu çalıştırmak için kullanılmaktadır. Bulut içinde uçmak için tasarlanmıştır. Üzerinde ölçüm ve algılama maksadıyla sensörler yerleştirilmiştir.

Skywalker X8 İHA uçuş rotası ve çıktığı irtifa, 27 Eylül 2019

5. İHA ve üzerindeki sistemlerin uçuş testleri

Havada kalış süresi üzerindeki sistemlerin etkinliğinin denenmesi, meteorolojik ölçümlerin yapılması ve elektrik yüklemesi yapılması maksadıyla bir dizi uçuş testleri gerçekleştirilmiştir.

       a. Hava aracı özellikleri

Skywalker X8 İHA ile deniz seviyesinden 2 kilometreye kadar irtifalarda uçuş testleri yapılmıştır. İHA, azami olarak 20 dakika 45 saniye havada kalmayı başarmıştır. Bu sürenin 11 dakikası 108 derece burun açısıyla 2,000 metreye tırmanma 9 dakikası da süzülmede geçen süredir.

      b. Meteorolojik sensörler

Skywalker X8 İHA tarafından yapılan ölçümler hemen yakınında uçan bir balondan yapılan ölçümlerle karşılaştırılmıştır. Yapılan ölçümlerin karşılaştırılmasının ardından Skywalker X8 modeli İHA üzerinde bulunan sensörlerden alınan verilerin fazla farklılık göstermediği ve güvenilir olduğu sonucuna varılmıştır.

Skywalker X8 İHA Üzerindeki Cihazlar

      c. Yükleme yayım özellikleri

Elektrik yükleme yayım özellikleri bir dizi uçuş testinde denenmiş ve 2,000 metre irtifaya kadar olan yüksekliklerde ve çeşitli uçuş paternlerinde yayıcıların arzu edilen verimi sağlayacak şekilde çalıştıkları gözlemlenmiştir.

50 C derece sıcaklığın hüküm sürdüğü çöl ülkesi Dubai’de elektrik yüklemesi yoluyla başlatılan yağmurun görüntüsü, 22 Temmuz 2021. Kaynak: UK News Agency

   d. Özet

Uygun sistemlerle donatılan Skywalker X8 model İHA’nın yapılan uçuş testleri sonucunda aşağıdakileri sağladığı gözlemlenmiştir:

• Bilimsel cihazlardan oluşan faydalı yükün bulut seviyesi irtifalara kadar taşınması ve 10 dakika havada kalış süresi,
• Termodinamik meteorolojik profil bilgilerinin sağlanması,
• Göreceli nem sensörleri ve optik bulut sensörleri vasıtasıyla bulutlu alanların tespit edilmesi,
• Her iki kutupta kontrollü ve sürekli elektrik yükleme yapabilmesi.

Skywalker X8 İHA’nın piyasadan temin edilebilmesi ve üzerindeki cihazların standartlara uygun olarak tasarlanması nedeniyle çok sayıda İHA imal edilebilir.

6. Sonuçlar

Birleşik Arap Emirlikleri (BAE), ABD ve Çin havadan uzaktan komutalı İHA’lar ile elektrik yüklemesi yoluyla yağmur oluşturulmasına ciddi yatırımlar yapmıştır.

Skywalker X8 İHA, 2 kilometre kadar irtifalarda bulutların termodinamik, optik ve elektriki özelliklerini tespit edebilen ve elektrik yüklemesine uygun su damlacıklarının yoğun olduğu bölgeleri kendi kendine belirleyebilen bir sistem olduğunu kanıtlamıştır.

Kontrol edilebilir iki kutuplu yükleme sistemi sayesinde bulutlu bölgeleri kendi sensörleriyle belirleyebilir ve otonom olarak elektrik yükleme faaliyetini gerçekleştirebilir.

Yapılan test uçuşları sonucunda geniş atmosferik hacimlerin etkin bir şekilde küçük ve elektrik gücüyle çalışan İHA’lar ile elektrik yüklemelerinin yapılabileceğini göstermiştir. Daha geniş alanların elektrik yüklenmesi için bu alanda ilave çalışmalar yapılması ve alternatif yöntemlerin uygulanması gerekmektedir. Bu maksatla yayıcı setler daha büyük hava araçlarına yerleştirilebilir ya da tek bir İHA yerine bir İHA sürüsü daha geniş alanları elektrik yüklemede kullanılabilir.

Bu yazıda anlatılan uzaktan komuta edilen hava aracı; bulut ve aerosol oluşumlarının incelenmesi ve elektrik yüklemesi sonucu elektriksel davranışlarının değişmesine olan etkilerinin değerlendirilmesi için yeni bir kabiliyet yaratmıştır. Yapılan deneylerde 2 kilometre irtifaya kadar bulutların yanı sıra; sis, pus ve aerosol oluşumlarına erişilmiş ve termodinamik, optik ve elektriki özellikleri başarıyla incelenmiştir.

Bulut içinde bulunan hava ve su moleküllerinin sürtünmesi sonucunda elektrostatik yükler oluşur. Oluşan bu yükler havayı iyonlaştırır,  bu da elektrik yükünün yerdeki en yakın sivri cisme doğru boşalmasına neden olur.

Kontrol edilebilir iki kutuplu şarj sisteminin entegre optik sensörlerle birlikte kullanımı yeni bir yaklaşımdır ve bulutlu bölgelerin belirlenmesi ve uzaktan komutalı insansız hava araçları ile otonom olarak hedef alınabilmesine imkân sağlamaktadır. Hava araçlarından iyon yayımı ya da elektrostatik tehlike arz eden yüksek elektrik yüklü bulutların nötralize edilmesi gibi alanlarda bu yöntem gelecekte kullanılabilir.

Nisan 2014’de sis içindeki Londra kentinin görüntüsü. Kentte 05 Aralık 1952 yılında gerçekleşen yoğun sis birçok insanın hayatını kaybetmesine neden olmuştur. Fotoğraf: Dan Kitwood/Getty Images

Jeomühendislik uygulamaları içme suyunun giderek azaldığı dünyamızda ve kurak bölgelerde giderek artan bir aciliyet haline gelmektedir. Bugüne kadar, otonom hava araçları ile çeşitli ülkeler tarafından yapılan testler elektrikli hava araçlarıyla bu işin yapılabileceğini ve elektrik yüklemesinin çevreye herhangi kalıcı bir zarar vermediğini ortaya koymuştur.