1960’l› y›llar›n sonunda uzay çal›flmalar› yo-¤unlaflt› ve insano¤lu aya ayak bast›. Bundan son-ra di¤er gezegenlere seyahat etme projeleri gelifl-tirmeye bafllad› ve bu amaçla ayda bir üs kurulma-s› fikri olufltu. Bu çerçevede, ayda yap›laflman›n kurulmas› için de planlamalar yap›ld›. Ayda yap›-laflman›n sa¤lanabilmesi için bilim adamlar› çok çeflitli çal›flmalar yapt›lar. Bunun için de en uygun malzemenin beton oldu¤u görüldü. Bununla bera-ber, 2004 y›l›nda USA Baflkan› George W. Bush ayda uzay üssü kurulmas›, ayda yaflam, ay topra-¤›n›n solunabilir hava ve roket yak›t› olarak kulla-n›lmas›, ay›n Mars’a yolculukta üs olarak kullan›l-mas› konular›nda araflt›rmalar› içeren 2020 y›l›na kadar sürecek uzay program›n› aç›klad›. Uzay tu-rizmi, sanayileflmesi, oksijen ve He3 depolama te-sisleri, inifl ve hareket etme yap›lar› ile yüzey nak-liye sistemlerinin hepsi büyük hacimde inflaat mal-zemeleriyle yap›labiliyor. Bu nedenle, yap›lacak binalar›n ve yap›lar›n maliyetleri yüksek oluyor. Bu kadar malzemenin dünyadan tafl›nmas› ekono-mik de¤ildir. Ayda yap›laflma yerel ay malzemele-rinden yararlanarak yap›lmal›d›r.
Ayda Beton Malzemelerinin
Elde Edilmesi
Ayda betonunun özelliklerinin belirlenmesi ve beton malzemelerinin yerel olarak üretimi için, Amerikan Beton Enstitüsü ve Amerikan Standart-lar Enstitüsü (ACI ve NIST) taraf›ndan 1980’li y›l-larda özel bir çal›flma grubu kuruldu Bu grup ve
bir tak›m araflt›rmac›lar taraf›ndan bar›nman›n nas›l yap›laca¤›, beton ve betonarme malzemele-rinin elde edilmesi (çimento üretimi, su elde mesi, demir elde edilmesi, hammadde elde edil-mesi v.b.), beton yap›m› ve bu malzemelerin ay-daki çevre koflullar› uyumu araflt›r›ld› ve bir tak›m sonuçlara ulaflt›lar.
Söz konusu çal›flmalara göre, öncelikle ay›n atmosferi olmad›¤›ndan yap›lacak bu yap›larda bar›nacak olan insanlar›n güneflin direkt radyas-yon etkilerinden korunmas› gereklili¤i dikkate al›nd›. Radyasyon etkilerine karfl› ve tafl›y›c› nite-likte en ekonomik yap› malzemesi betondur. Ay-daki yerel malzemelerin agrega ve çimento yap›-m› için çok uygun olduklar› aydan getirilen
örnek-ler üzerinde yap›lan deneyörnek-ler sonucunda belirlen-di.
Agrega (Kum-Çak›l, K›rmatafl)
Ay topra¤›n›n agrega (kum-çak›l) olarak kulla-n›ld›¤› küp beton numunelerinde yap›lan deney-lerde bas›nç dayan›m›n›n 70 MPa’›n üzerinde ç›k-t›. Bu dayan›m, beton hakk›ndaki bilginin ve yeni beton teknolojilerinin gelifltirilmesinde uzmanlafl-m›fl Amerikan Beton Enstitüsü (ACI) standartla-r›nda belirtilen yap› tasar›m› için gerekli dayan›-m›n iki kat›d›r. Bu yüzden, ay topra¤›ndan elde edilen k›rmatafl agrega (kum-çak›l) kullan›lmas›y-la üretilen beton yap›kullan›lmas›y-laflmada kulkullan›lmas›y-lan›kullan›lmas›y-labilir.
Çimento
NASA’dan al›nan anorthosit kayalar› ve ay ba-zalt› çimento malzemeleri formüle etmek üzere uygun buhar koflullar›nda yüksek ba¤lay›c›l›k per-formans› göstererek 49 MPa harç dayan›m›na ulaflm›flt›r. Bu dayan›m da dünyada üretilen çi-mentolar için uygun bir dayan›m de¤eridir. Bu du-rum, ay topra¤›ndan çimento üretilebilece¤ini bi-ze göstermektedir.
Su
Söz konusu betonla yap›lan ay yap›lar› radyas-yon, günefl kaynakl› ayg›tlar, ay›n afl›r› s›cakl›k ve s›cakl›k de¤iflimleri (gündüz 120 °C olan s›cakl›-¤›n gece -157 ?C’lere kadar düflmesi), farkl› yer çekimi ve hava bas›nc› (1.62 m/sn2, 10-13
62 Kas›m 2006 B‹L‹MveTEKN‹K
Bu çal›flmada, Ay üzerinde yap›lmas› planlanan üs ve yerleflim birimlerinin inflas›nda kullan›lmak üzere en ekonomik yap›
malzemesi olarak üretilmesi planlanan beton türünün özelikleri dünyada yap›lm›fl çal›flmalardan da yararlan›larak araflt›r›ld›. Bu
tür betonun ay üzerinde hangi koflullar alt›nda, nas›l üretilebilece¤i ve üretim teknikleri bir araflt›rma yaz›s› olarak siz
okuyuculara sunuldu. Buna göre, ayda bina yap›m› için gerekli malzemelerin (betonarme demiri) ve betonun üretiminde
kullan›lacak malzemelerin (kum-çak›l, su, çimento) ay topra¤›ndan elde edilebiliyor. Ayr›ca, ay koflullar›nda beton dökülebilmesi
için de çeflitli yöntemler gelifltirildi. Sonuç olarak, ayda beton dökülebilmesi ve bina yap›m› beton teknolojisi aç›s›ndan
olanakl›d›r. Bu söz konusu bilgiler yaz› içerisinde daha detayl› olarak verilmifltir.
Ayda Beton
Dökülebilir Mi?
Ayda Beton
Dökülebilir Mi?
atm.), h›zl› buharlaflma, gibi çevresel koflullara uyum sa¤layabilmelidir. Ay atmosferi gaz konsan-trasyonunun dünyaya göre 14 kat daha az (104-105 molekül/cm3) olmas›ndan dolay› vakum et-kisine sahiptir. Bu durumda oksijen ve suyun üre-tilebilmesi için regolit olarak adland›r›lan 4-15 m aras›ndaki ay topra¤›ndan yararlan›l›r. Ay topra-¤›ndaki silikatlar›n veya ilmenitteki hidrojenin (H2) indirgenmesi ile su ve suyun elektrolizi ile de oksijen (O2) elde edebiliyoruz.
Ayda baflka su kaynaklar› da bulunuyor. 1998’de NASA’n›n maden arama ekibi ay›n kutup bölgelerinde toprakla kar›fl›k buzun varl›¤›na rast-lad›. Suyun devaml› don alt›ndaki alt toprak taba-kas›ndan elde etmenin olanakl› oldu¤unu düflünü-yoruz. Kuzey ve güney kutuplardaki ak›fl düflmesi verilerine göre kuru regolit tabakas›n›n yaklafl›k 50 cm alt›nda ba¤l› veya serbest su-buz tortular› vard›r. Her kutupta 3 milyon m3 su-buz kar›fl›m› oldu¤unu tahmin ediyoruz. Bu kutuplardaki suyun kullan›lmas› ile beton üretimi ve yap›laflman›n önü aç›l›yor. Suyu üretebilme olana¤›m›z da ayda ekonomik ve teknik aç›dan beton dökmemizi sa¤-layan faktörlerden birisi.
Betonarme Demiri Üretimi
Ayr›ca, yine karbotermal indirgeme ve hidro-jenin (H2) indirgenmesi ile ay topra¤› numunesin-den demir elde edebiliyor. Su s›v› hidrojenin FeTi-O3, FeO2 veya s›v› oksijenle reaksiyonu sonucu elde ediliyor. Oksijen ve suyun ay ilmelitinden el-de edilmesinel-de hidrojenin indirgenmesi ifllemi araflt›rmac›lar taraf›ndan ortaya kondu ve bilim camias›nda kabul gördü. Bu ifllemin art›k madde-si demir ve titanyum okmadde-sit bileflimidir. Bu bileflim-le çekme dayan›m› yüksek çubuk ve lifbileflim-lerin üretil-mesi söz konusudur.
Regolit numunesi eritildi¤inde metaller Fe-Si-P alafl›mlar› fleklinde olufluyor, s›v› matris içinde geliflen daha sonraki eritme ifllemleri sonunda ise metallerin daha rahat çözünmesi sonucu % 95 oran›nda saf demir elementleri elde ediliyor. Bir baflka deyiflle, ay topra¤›ndan beton üretiminde kullanabilen suyun yan›nda ayn› ifllem sonucunda betonarme yap›n›n üretimi için gerekli demiri (do-nat›s›) üretebiliyor.
Ayda Bina Yap›m›
Ayda yap›laflma için gerekli tüm çal›flmalar be-ton ve çimento teknolojileri konusunda uzman bi-lim adamlar› taraf›ndan gerçeklefltirildi. Aya insa-no¤lunu yerleflmesi ve yap›laflman›n gerçekleflti-rilmesinde aydaki ortam koflullar›na göre gerekli tüm malzemelerin üretim yöntemleri (çimento, su, agrega, demir donat›) ve infla edilecek
beto-narme yap›lar›n yap›m›nda kullan›lmas› gereken yeni yap›m teknikleri teorik ve deneysel olarak belirlendi. Ayda yerleflim birimleri kurman›n ve uzay›n derinliklerin keflfi için bir geçifl üssü olarak kullanman›n insano¤lu için art›k birer hayal olma-d›¤›n› görülüyor. Hatta flunu da söylenebilir; ge-lecek kuflaklar ayda, Marsta hatta uzayda binalar infla edecek, yerleflim birimleri, flehirler kuracak ve insano¤lunun medeniyetini çok uzaklara tafl›ya-caklar. Horasan harc›, kerpiç, tu¤la ve mermer gi-bi yap› malzemelerinin kullan›m›yla geliflen mede-niyetimiz çok daha ilerilere gidecek.
Bina Yap›m Teknikleri
Ayr›ca, bu yap›lar›n inflaa aflamas›nda kullan›-labilecek yap›m tekniklerini bilim adamlar› gelifl-tirdi. Taiwan’da Chiago-Tung Üniversitesinde kuru kar›fl›m/buhar enjeksiyon (KKBE) sistemi temel olarak uzayda beton dökmek üzere gerçeklefltiril-di. Çimento ve agregalar kuru bir yüzeyde kar›fl-t›rarak s›n›rlanm›fl özel bir odada yüksek s›cakl›k-taki su buhar› ile bak›m uyguland› En yüksek da-yan›m de¤erlerini veren bak›m; 18 saat süre ile 160±180°C (0.62±1.0 MPa) buhar kürü olarak belirlendi. Bu sistemle betonda kullan›lacak çi-mento ve su miktarlar› azal›yor ve betonun daya-n›m kazanma h›z› art›yor. Böylece, daha k›sa sü-rede istenilen dayan›ma ulafl›l›yor.
Sonuç
Sonuç olarak, ay topra¤›ndan, çimento, agre-ga (kum-çak›l) ve su elde edilerek beton üretili-yor. Ayn› zamanda, betonarme yap›n›n demir do-nat›s› da üretilerek ayda betonarme yap›lar infla edebiliyor. Dolay›s›yla, sadece ay topra¤›na bir ta-k›m ifllemler uygulayarak yap›laflma için gerekli tüm yap› malzemelerini yine yerinde sa¤lan›yor. Yani, beton üretimi için gerekli çimento, kum ve çak›l ya da k›rmatafl› ay topra¤›ndan üretilebili-yor. Bunun yan›nda, beton malzemelerini
sa¤la-d›ktan sonra ay koflullar›nda gelifltirdi¤imiz tek-niklerle beton dökebiliyor. Böylece, ayda yap›lafl-man›n gerçekleflebilir bir olay oldu¤u ortaya kon-mufl oluyor. Her ne kadar söz konusu çal›flmalar bir tak›m uluslar aras› kurulufllar›n deste¤iyle ya-banc› bilim adamlar› taraf›ndan yap›lm›fl olsa da Türk bilim adamlar› ve Mühendisleri de bu tür malzemeleri ayda ay topra¤›ndan üretme ve bu malzemeleri kullanarak beton üretiminin gerçek-lefltirilmesinde yeterli Beton Teknolojisi deneyimi ve bilgi birikimine sahiptirler. ‹nsano¤lunun me-deniyetini önce aya sonra uzaya tafl›mas›nda Türk bilim adamlar› da yerlerini alacaklard›r.
P r o f . D r . ‹ l k e r B e k i r T o p ç u , A r fl . G ö r . T u r h a n B i l i r ESOGÜ, Müh. Mim. Fak., ‹nflaat Müh. Bölümü, E-posta: ilkerbt@ogu.edu.tr
Kaynaklar
‹.B. Topçu, (2006) Beton Teknolojisi, 570 s., Eskiflehir. T. D., Lin, (1987) Concrete for Lunar Base Construction, ACI Concrete
International, V.9, N.7, pp. 48-53.
R. Agha, (2005) Space exploration-Surgical insights and future perspectives International Journal of Surgery, Vol. 3, pp. 263-267. P. Jake‰, Institute of Geochemistry, Mineralogy and Mineral Resources,
Faculty of Science, Charles University
H. Benaroya, Department of Mechanical and Aerospace Engineering, Rutgers University, 98 Brett Road, Piscataway USA.
PW Weiblen, MJ Murawa, KJ Reid, Preparation of simulants for lunar surface materials, Engineering, Construction and Operation in Space II, pp. 428-435.
David S. McKay, James L. Carter, Walter W. Boles, Carlton C. Allen, Judith H. Allton JSC-1: A New Lunar Soil Simulant
Engineering, Construction and Operations in Space IV, ASCE, V.M. Kenkre, L. Skala, M.W. Weiser, J.D. Katz, (1991) Theory of microwave
interactions in ceramic materials: the phenomenon of thermal runaway. Journal of Materials Science, 26
G. Scott Hubbard, William Feldman, S. A. Cox, M. A. Sm›th, L. Chu-Thielbar, (2002) Lunar Prospector: First Results and Lessons Learned, Acta Astronautica, Vol. 50, No. 1, pp. 39-47.
S. Sen, C. S. Ray, R. G. Reddy, (2005) Processing of lunar soil simulant for space exploration applications, Materials Science and Engineering A 413-414, pp. 592–597.
R. K. Tripathi, J. W. Wilson, F. A. Cucinotta, B. M. Anderson, L. C. Simonsen, (2003) Materials trade study for lunar/gateway missions, Adv. Space Res. Vol. 31, No. 11, pp. 2383-2388.
A. Hepp et al., (1994) Journal of Propulsion and Power, NASA G. A. Landis (1996) Workshop on Space Resource Utilization, Lunar and
Planetary Institute, Houston; SPS-97: Space and Electric Power for Humanity, pp. 311-318.
N. Sua, Y-N. Peng, (2001) The characteristics and engineering properties of dry-mix/steam-injection concrete, Cement and Concrete Research 31, pp. 609-619.
J. D. Mackenzie, R. Claridge, (1979) Glass and Ceramics from Lunar Materials, Space Manufacturing Facilities 3, AIAA, NY.
