Güneş enerjili insansız hava araçları

Yakın zamanda Dünya’da baş gösteren akaryakıt tedarik kriziyle beraber enerji fiyatlarındaki rekor artış Avrupa’yı da etkisi altına almış ve tüm küresel piyasalarda enerji krizi tehlikesi baş göstermiştir. Yaşanan bu süreçlerle birlikte tüm dünyada havacılık şirketlerinin şu anda kullanılan yakıtlara alternatif olacak aynı zamanda verimi yüksek bir akaryakıt arayışında oldukları bilinmektedir. Hayatın her alanında kullanım sahası genişleyen İHA’larda da mevcut gelişmeler ışığında güneş enerjisi kullanımının önemi artmakta ve bu hususta kıymetli çalışmalar yapılmaktadır.

Artan maliyetlerin yanı sıra iklim değişiklikleri ve küresel ısınma nedeniyle çevreci şirketler ürettikleri araçlarında alternatif, yenilenebilir ve çevreye zararı olmayan teknolojilere yönelmiştir. Yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımı ile doğa dostu yakıtlara geçiş süreci yakın zamanda büyük bir ivme ile hızlanmıştır. Ülkelerin son yıllardaki günlük jet yakıtı tüketim miktarlarının yüksekliğine bakıldığında da bu değişim ihtiyacının gerekliliği anlaşılmaktadır.

Güneş Enerjisi ve Fotovoltaik Paneller

Güneş enerjisinden pasif ve aktif sistemler olmak üzere temelde iki farklı şekilde yararlanılabilmektedir. Pasif sistemler ile sıcak su üretimi sağlanırken aktif sistemler ile de elektrik enerjisi üretimi gerçekleştirilebilmektedir.

Güneş enerjisinden elektrik enerjisi üretimi fotovoltaik paneller yardımıyla sağlanmaktadır. Fotovoltaik paneller, güneş panelleri ya da fotovoltaik hücreler olarak da adlandırılabilmektedir. Fotovoltaik paneller; taşınabilir, ergonomik, çok az bakım gerektiren, kullanımı kolay, estetik görünüme sahip yarı iletken teknolojisi ile çalışan cihazlardır².

Güneş panelleri, elektrik enerjisinin gerekli olduğu her uygulamada kullanılabilir. Güneş paneli uygulamaya bağlı olarak, akümülatör, akü şarj denetim aygıtları ve çeşitli elektronik destek devreleri ile birlikte kullanılarak bir güneş paneli sistemi (fotovoltaik sistem) oluştururlar³.

Güneş pilleri veya daha yaygın isimleriyle, fotovoltaik piller, üzerlerine düşen güneş ışınımını doğrudan elektrik enerjisine dönüştüren düzeneklerdir. Güneş pilleri, güneş ışığını doğru akım olarak elektrik enerjisine çevirirler. Elde edilen elektrik, doğru akım olarak kullanılabildiği gibi, alternatif akıma dönüştürülerek de kullanılabilir veya daha sonra kullanılmak amacıyla depolanabilir. Temel olarak güneş pili; yakıtı güneş ışığı olan, hareketli parçaları olmayan ve çevreye zarar vermeyen bir elektrik üretim sistemidir⁵.

Güneş pilleri, yüzeylerine gelen güneş ışığını doğrudan elektriğe dönüştürürler. Yüzeyleri kare, dikdörtgen, daire şeklinde biçimlendirilen güneş pillerinin alanları genellikle 1m2 civarında, kalınlıkları ise 0,2- 0,4mm arasındadır. Pilin verdiği elektrik enerjisinin kaynağı, yüzeyine gelen güneş enerjisidir. Güneş enerjisi, güneş pilinin yapısına bağlı olarak % 5 ile % 20 arasında bir verimle elektrik enerjisine çevrilebilir⁶.

Güneş Enerjili İHA’ların Gelişimi

İlk güneş pili ABD New Jersey’de bulunan Bell Telefon Laboratuvarları’nda 1954 yılında üretilmiştir. Başlangıçta %4 verime sahip olan güneş pilleri kısa sürede geliştirilerek %11 verime yükseltilmiştir. 30 Haziran 1957’de, İngiliz H. J. Taplin ilk resmi elektrik ile çalışan radyo kontrollü uçuşu “Radio Queen” ile gerçekleştirmiştir. Bu model sabit mıknatıslı bir motora ve gümüş-çinko bataryaya sahipti. Ardından Alman  Fred Militky de Ekim 1957’de başarılı bir uçuş gerçekleştirmiştir⁷.

ABD’de NASA tarafından 1983’te başlatılıp 30.000 metre yüksekte uzun süre uçma amacı güden bir uçak; o günkü güneş enerji pilleriyle uçamayacağı anlaşılınca 10 yıl askıda kalmıştır. NASA 1993’teki gelişmeler nedeniyle projeyi tekrar  başlatmış ve yenilenen  uçağa  Pathfinder  adı  verilmiştir.  Uçağın elektrik motoru sayısı 8, kanat açıklığı 30 metre olup gece uçuşu için de yedek piller yerleştirilmiştir. Uçak 1995’te 15  bin  metrede  toplam  12  saat  uçmuştur.  Kanatları  37  metreye çıkarılınca, uçak 1997’de 22 bin ve 1998’de 25 bin metrede uçmuştur.

NASA’nın ikinci uçağı Helios 30 bin metrede 24 saat uçmak hedefiyle tasarlanmıştır. İlk kez 1999’da uçan Helios’un kanat açıklığı 75 metredir. Motor sayısı 14 olan uçak, 2001’de 29500 m yüksekliğe çıkmış fakat devamında proje askıya alınmıştır.

ABD’de AcPropulsion şirketi tarafından tasarlanıp üretilen Solong isimli İHA 22 Nisan 2005’te 24 saat 11 dakikalık uçuş gerçekleştirmiştir. 3 Haziran 2005’te bu uçuş kabiliyetlerini pekiştirmek için California Colorado Çölü’nde 48 saat 16 dakikalık bir uçuş gerçekleştirilmiştir. Bu uzun süreli uçuşu uçağın gövdesine yerleştiren lityum-iyon bataryalar sayesinde gerçekleştirmiştir8 .

MOZI 2

Çin’in OXAI Aircraft şirketinin ürettiği güneş enerjili insansız hava aracı MOZI 2 ilk uçuşunu 27 Temmuz 2019 tarihinde Çin’in Zheijang Eyaleti’nin doğusunda gerçekleştirmiştir. 8 saatlik bir güneş enerji şarjıyla 12 saat seyir süresi ve 8000 m irtifaya kadar aralıksız uçuş yapabilmektedir. MOZI 2 insansız hava aracının 15 metre kanat genişliği bulunmaktadır.

5G  teknolojisinin MOZI 2’ye entegre edilmesi yönünde çalışmalar devam etmektedir. 5G teknolojisinin entegre edilmesiyle birlikte MOZI 2, afet durumunda yaptığı yardım ve keşif görevine ek olarak haberleşmeyi de sağlayan uçan bir röle istasyonu olarak da görev yapabilecektir⁹.

SolarXONE

Fransız şirketi XSun tarafından 2016 yılında projelendirilmeye başlanan SolarXONE İHA toplam 25 kg ağırlığa ve 4,5 m kanat açıklığına sahiptir. XSun 30 dakika içinde uçuşa hazırlanmakta ve katapult benzeri bir sistemle havalanmaktadır. Temmuz 2020 itibariyle günlük 600 km uçuş süresine veya gece gündüz kesintisiz 12 saat menzil standartlarına ulaşmıştır. Gürültü paternin 42dB’nin altında olduğu beyan edilmektedir.

Yüksek çözünürlüklü fotoğraf kapasiteleri, boru hatları, elektrik ağları, yollar ve nehirler gibi büyük ölçekli doğrusal altyapıların yanı sıra hassas tarım, orman ve doğal rezerv haritalaması kullanım amaçlarının başında gelmektedir¹⁰.

MARAAL-2

Hindistan’ın ilk güneş enerjili İHA projesi olan MARAAL; IIT Kanpur(Hindistan Teknoloji Enstitüsü) havacılık departmanı tarafından projelendirilmiştir. 1 Şubat 2016’daki ilk uçuşuyla başlayan süreç daha üstün yeteneklere sahip güneş enerjili MARAAL-2’yi geliştirilmesi ile devam etmiştir. MARAAL-2, 5.35 m kanat açıklığına ve maksimum 18 saat dayanıklılığa sahiptir. 200 km’ye kadar menzile sahiptir ve 5000 metre irtifaya kadar uçabilmektedir. Toplam ağırlığı ise faydalı yüküyle birlikte 20 kg dır. 250 metre yüksekliğe kadar uçmak için bir uzaktan kumandaya ihtiyacı bulunmakta olup devamında otomatik pilot teknolojisi ile kontrol edilmektedir¹¹.

Elektra Two Solar

Alman PC-Aero ve DLR Robotik/Mekatronik Enstitüsü ile ortaklaşa geliştirilen Elektra One ilk uçuşunu Mart 2011’de Augsburg havaalanında yapmış ve bu uçuş yaklaşık 30 dk sürmüştür. Haziran 2015’te 3.000 m irtifaya ve 2.5 saatlik uçuş süresine ulaşan uçağın gürültü pateninin 50 dB’nin altında olduğu beyan edilmektedir. Güneş enerjili insanlı uçak olarak başlayan proje; gösterge paneli, uçuş kontrol ekipmanları, koltuk ve emniyet kemerleri gibi bazı parçaların çıkarılmasının ardından Elektra Two Solar ismini almış ve uçağın ağırlığının 20 kg azaltılması sonucunda faydalı yük ve pil kapasitesi arttırılmıştır.

Elektra Two Solar İHA 450 kg ağırlığındadır ve 24,8 m kanat açıklığına sahiptir. Kanatlarda ve kuyrukta 22,5 m2 fotovoltaik hücre ile donatılmıştır. Uçağın 100 kg›a kadar yük taşıyacak şekilde ve 21000 m kadar irtifalarda uçmak üzere testleri yapılmaya devam etmektedir¹².

PHASA-35

İngiliz BAE Systems  şirketinin geliştirmekte olduğu güneş enerjili  PHASA-35, ilk test uçuşunu 2019 Aralık ayında tamamlamıştır. İngiltere Savunma Bilim ve Teknoloji Laboratuvarı (DSTL) ile Avustralya Savunma Bilim ve Teknoloji Laboratuvarı (DSTG) tarafından da desteklenmektedir. 35 m kanat genişliği bulunan PHASA-35, 150 kg ağırlığında olup 19500 m irtifaya tırmanarak bir yıl boyunca havada kalma potansiyeline sahiptir. Aynı zamanda Yüksek İrtifa Uzun Dayanıklılık (HALE)  özelliğiyle PHASA-35, dünya atmosferinin üst tabakalarından biri olan stratosfer tabakasında çalışacak şekilde tasarlanmıştır. 

Orman yangını ve deniz gözetimi için kullanılmak üzere tasarlanan uçağa 5G teknolojisini entegre etmek ve iletişim ağ dağıtımını yapmak için çalışmalar devam etmektedir. PHASA-35, afet yardımını ve sınır korumasını günümüz uydularına harcanan bütçelere kıyasla daha düşük bütçeyle yapabilmeyi hedeflemektedir¹³.

Zephyr S

2003 yılında  İngiliz  Savunma yüklenicisi QinetiQ tarafından tasarlanan ve inşa edilen Zephyr sistemi Mart 2013’te EADS Astrium (AIRBUS Savunma ve Uzay) firmasına satılmasının ardından Yüksek İrtifa Yalancı Uydu (HAPS) programının bir parçası olarak geliştirilmiştir. Zephyr S, 2018 yılında Arizona’daki test uçuşunda 25 gün 23 saat 57 dakika havada kalmıştır.

Zephyr’in orijinal hedef misyonu deniz gözetimi ve hizmetleri, sınır devriye görevleri, iletişim, orman yangını gibi uygulama yelpazesi sağlamaktır. Stratosferde ortalama 21000 m yükseklikte faaliyet gösteren ultra hafif Zephyr, 25 m kanat açıklığına ve 75 kg ağırlığa sahiptir¹⁴.

Sunglider

Japon SoftBank Corp - HAPSMobile ile ABD merkezli uçak sistemleri geliştiricisi AeroVironment şirketleri ortaklığı sonucu üretilen Sunglider yüksek irtifa platform sistemlerinden birisidir.  Sunglider’in motor teknolojisi, Pathfinder-Plus ve Helios Prototipinden bu yana birçok nesil İHAların iyileştirilmesi sonucunda üretilmiştir. Sunglider 78 m genişliğe sahip kanatlara ve 110 km/sa azami hıza ulaşmak için de toplam 10 pervaneye sahip güneş panellerinden güç almaktadır. 21-22 Eylül 2020 tarihinde uçak 20 saatlik uçuşunda 18750 m irtifaya ulaşmıştır.

Uçak, telekomünikasyon yüklerini stratosfere taşımak ve aynı irtifada aylarca uçmak üzere tasarlanmıştır. Tasarım esnasında, her uçağın bir gün içerisinde 200 km’lik bir alana bağlantı sunabileceğini ve daha geniş alanları kapsayan ve gelişmekte olan bölgelerdeki nüfusa hizmet eden daha büyük ağlar oluşturmak için diğer Sunglider’larla bağlantı kurması hedeflenmiştir¹⁵.

SONUÇ

Son 10 yılda hava taşımacılığından kaynaklı emisyon ve yakıt tüketimini düşürmek adına ciddi adımlar atılması için Uluslararası Sivil Havacılık Örgütü’ne üye ülkeler bir araya gelerek ortak kararlar almış ve 2050 yılına kadar gerçekleştirilmek üzere ortak hedefler koymuşlardır. Bu hedefler yakıt tüketimini ve bundan kaynaklı karbondioksit salınımını kısa, orta ve uzun süreli teknoloji geliştirme hedefleriyle önemli derecede azaltmayı amaçlamaktadır. Uzun süreli hedeflerin başında da tamamen emisyonu sıfıra indiren hava araçları kullanılması gelmektedir.

Amazon, Google ve Facebook gibi günümüz dünyasının büyük şirketleri güneş enerjili İHA’lar üzerine çalışan şirketlerle yakın ilişkiler kurmaktadırlar. Bu çalışmaların havacılık sektörünün geleceğini pozitif yönde etkileyeceği aşikârdır. Önceki dönemlere baktığımızda güneş panellerinin ve fotovoltaik sistemlerin maliyetli oluşu nedeniyle fosil yakıtların kullanımı haricinde başka imkân bulunmamaktaydı. Fakat teknolojinin gelişmesiyle birlikte üretilen yeni nesil piller ve güneş panelleri bu maliyeti azaltmaya başlamıştır. Maliyetlerin daha da azalması ve teknolojinin gelişmesi neticesinde güneş enerjili İHA’ların hayatın her alanında kullanım sahası bulacağı düşünülmektedir.

Kaynakça

1. Jet Fuel Consumption, https://www.theglobaleconomy.com/rankings/ jet_fuel_consumption/, Erişim Tarihi: 22 Kasım 2021.

2. Rüstemli S., Dinçer F.,Çelik M.,Cengiz M S., Fotovoltaik Paneller: Güneş Takip Sistemleri ve İklimlendirme Sistemleri, BEÜ Fen Bilimleri Dergisi, 2013, s. 143

3. Rüstemli S., Dinçdam F., Demirtaş M., Güneş Pilleri İle Sıcak Su Elde Etme ve Sokak Aydınlatması, V. Yenilenebilir Enerji Kaynakları Sempozyumu, Diyarbakır, 2009, s. 44.

4. IHS Markit, COVID-19 and Solar PV: How will the solar PV industry weather the storm of a global pandemic?, Mayıs 2020, https://cdn.ihsmarkit.com/www/pdf/0520/IHS-Markit-solar-PV-industry-weatherthe-storm-global-pandemic-May2020.pdf, Erişim Tarihi: 22 Kasım 2021.

5. Çıtıroğlu, A., Güneş Enerjisinden Yararlanarak Elektrik Üretimi, Makine Mühendisleri Odası Yayınları, Ankara, 2000, s.3.

6. Çıtanak, N., Güneş Enerji Kaynağından Elektrik Enerjisi Üretimi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Fırat Üniversitesi, Yüksek Lisans Tezi, 2014, s.33.

7. Noth, A., “Design of Solar Powered Airplanes for Continuous Flight, ETH Zürich, Doktora Tezi, 2008, s.29.

8 Selamoğlu A., Güneş Enerjili Bir İnsansız Hava Aracının Kavramsal Tasarımı, Makina Mühendisliği Fakültesi, Gazi Üniversitesi, Bitirme Projesi, 2014, s. 13.

9. XINHUANET, China-Made Solar-Powered Unmanned Aircraft Makes Maiden Flight, 31 Temmuz 2019, http://en.people.cn/n3/2019/0731/ c90000-9601911-4.html, Erişim Tarihi: 21 Kasım 2021.

10. XSUN-Systems, SolarXONE Solar Powered Drone, https://xsun.fr/autonomous-drone/, Erişim Tarihi: 20 Kasım 2021.

11. Mandeep Sajwan, Solar Powered MARAAL UAV Developed by IIT Kanpur, Indian Hawk, 8 temmuz 2021, https://www.theindianhawk. com/2021/06/solar-powered-maraal-uavs-developed-byi.html, Erişim Tarihi: 11 Kasım 2021.

12. Elektra Solar, Elektra Two Solar For Stratospheric Flight Up To 20 km Altitute Flying Since 2017, 2021, https://www.elektra-solar.com/products/ elektra-two-solar/, Erişim Tarihi: 21 Kasım 2021.

13. Andrea Kay, Phasa-35, BAE Systems, 2021, https://www.baesystems. com/en/product/phasa-35#, Erişim Tarihi: 20 Kasım 2021.

14. David Szondy, Zephyr S Pseudo-Satellite Drone Hits Record Altitude Of 76,100 Ft, New Atlas, 13 Ekim 2021, https://newatlas.com/aircraft/ airbus-zephyr-drone-new-altitude-record-haps-pseudo-satellite/, Erişim Tarihi: 20 Kasım 2021.

15. NASA Armstrong, Sunglider Builds on Legacy of Solar Aircraft, NASA, 23 Mart 2021, https:// www.nasa.gov/centers/armstrong/features/sungliderbuilds-on-legacy-of-solar-aircraft.html, Erişim Tarihi: 20 Kasım 2021