Kütleçekimsel Sapan Nedir ?

Bir kütle çekim sapanının sıklıkla açıklanma şekli, küçük bir cismin (örneğin bir uzay aracı) kendisini hızlandırmak için büyük bir cismin (örneğin bir gezegenin) kütle çekimini kullanmasıdır.
Bu açıklama yanlıştır (veya en azından eksiktir) ve kusurun görülmesi kolaydır. kütle çekim potansiyelleri simetriktir. Dolayısıyla, sonda tarafından büyük gövdenin kütle çekim kuyusuna düşerken kazanılan herhangi bir kinetik enerji, sonda ayrılırken basitçe tekrar kaybedilecektir. Bu açıklama, uzay aracının gezegenden uzaklaştığında hızı üzerinde net bir etkinin olmayacağı anlamına geliyor.

Olgunun sezgisel bir görüntüsünü vermenin vektör diyagramlarına dalmaktan daha yararlı olduğu varsayımıyla, benzer şekilde çalışan dünya temelli bir deney verelim.
İlk önce, 60 mil hızla size doğru devasa bir kamyon sürün.Birkaç tenis topu alın ve kamyonun önüne atın.Size doğru sıçrayan tenis topunun hızını gözlemleyin. Yakından bakarsanız, topların sizin onları fırlattığınızdan çok daha hızlı geri döndüğünü göreceksiniz. Kamyon tenis toplarına ivme kazandırdı. Ancak her tenis topu kamyonu biraz yavaşlattığı için momentum hala korunuyor (bunun tespit edilmesi pek mümkün olmasa da).Uygun zamanda, akıllıca kamyonun yolundan çekilin.Etkisine ikna olana kadar veya kamyon tarafından çarpılana kadar bunu tekrar tekrar deneyin.
Bu, kütle çekim sapanının çalışma şekline çok benzer; sadece, momentumu gezegenden sondaya aktaran kuvvet, tenis toplarında olduğu gibi bir temas kuvveti değil, kütle çekimdir.

Kütle çekimsel sapan etkisi biraz gizemli gözükebilir. Biraz fizik biliyorsanız dahi bu duygu devam eder. Enerjiyi duymuşsunuzdur, enerji bir sistemin iş yapma kapasitesidir. Örneğin önünüzde duran bir cismi alın ve biraz havaya kaldırın. Bu cismin sahip olduğu enerji nedir? Eğer cismi yere bırakacak olursanız cisim üzerinde yerçekimi tarafından bir iş yapılacaktır ve cisim kinetik enerji kazanarak yere düşecektir.
Peki cisim elde tutulurken var olan enerji neydi? Bunun adı kütle çekim potansiyel enerjisiydi. Cismi elinizde tuttuğunuzda onun bir kütle çekim potansiyel enerjisi vardı, kinetik enerjisi sıfırdı yani hareketi yoktu. Daha sonra cismi elinizden bıraktığınızda kinetik enerjisi artmaya başladı, o artarken de kütle çekim potansiyel enerjisi azalmaya başladı. Buna fizikte “enerjinin korunumu” denir.

Şimdi konumuza dönecek olursak, enerji korunduğu için şu mantığı yürütebilirsiniz: “Bir uzay aracı bir gezegene yaklaşırken hızı artmalı fakat uzaklaşırken bu hızı kaybetmeli”.
Yerçekimsel sapanın nasıl işlediğini anlamak için iki farklı manzaradan, diğer bir deyişle iki farklı gözlemci çerçevesinden bakmamız gerekir. Bu gözlemci çerçevelerimiz, yani yerçekimsel sapan olayına bakacağımız yerler Dünya ve Güneş olsun. Bu durum, olayı anlayabilmemizi oldukça kolaylaştıracaktır.
Dünya’dan uzay aracına bakıldığında, Dünya hareketsizdir. Daha da önemlisi, Dünya bu uzay aracından çok ama çok büyük olduğu için, Dünya ve uzay aracının kütle merkezi, Dünya’nın kütle merkezi olarak değerlendirilebilir. Örneğin Jüpiter’in kütlesi, Voyager uzay aracından 10 üzeri 24 kere büyüktür.
Bunun anlamı şudur: Uzay aracının toplam enerjisi kinetik enerjiden (hareket enerjisi) ve kütle çekim potansiyel enerjiden (yakın olduğu büyük objeden – burada Jüpiter) oluşmaktadır. Juno ve Dünya’yı düşünelim. Dünya gözlem çerçevesinden bakıyoruz olaya. Juno Dünya’nın yörüngesinde iken ona en yakın en büyük obje Dünya olduğu için, bir kütle çekim potansiyel enerjisine sahip. Ayrıca hareket ediyor, bu da kinetik enerjisi. Dünya gözlemci çerçevesinden baktığımızda, bu toplam enerji korunur.

Metodun tarihçesi
Yuri Kondatruk, 1919’da hazırladığı, ancak 1938’de yayımlanan makalesinde, iki gezegen arasındaki uzay aracı yolculuğunun bu iki gezegenden ilkinin hızlandırıcı (ve ikincisinin ise yavaşlatıcı) olarak kullanılması ile hızlandırılabileceğini ileri sürdü. Friedrich Zander, 1925’te yayımlanan makalesinde benzer görüşler ileri sürdü. Fakat bu her iki makale de bilim dünyasının gözünden kaçtı. Bu gerçek Michael Minovitch tarafından, 1961’de keşfedildi.
Kütleçekimi yardımıyla manevra, ilk defa, Sovyet uzay aracı “Luna 3”ün Ayın uzak yüzünü fotoğrafla uçuşunda kullanıldı.

Niçin Çekimsel Sapan Etkisi Kullanılmaktadır

Voyager 2’nin Güneşe uzaklığına bağlı olarak yörünge hızının (heliocentric velocity) değişimi ve bu değişime Jüpiter, Satürn ve Uranüsün katkıları muazzamdır. “Voyager 2” nin kameralarının Neptünün uydusu Triton’u fotoğraflayabilmesi için, araç Neptünün kuzey kutbundan geçecek bir yörüngeye yönlendirildi. Bu manevra aracın Güneşten uzaklaşma hızını azalttı.
Dünya-Güneş arasında dolanan bir “iç gezegen”e yolculuk yapacak bir araç, minimum hızla hareket etse de, Güneşin kütleçekimi onu hızlandırır. Bu aracın hedefindeki gezegenin yörüngesine sokulmak istenmesi durumunda bir şekilde frenlenmesi gerekir.
Bu durum, Dünya-ötesi bir gezegene yolculukta tersine işler. Uzay aracının hedef gezegene ulaşabilmesi için, ayrıca hızlandırılması gerekir. Ancak, araç yolculuğunun başında, yolculuk için gerekli hızdan daha büyük bir hıza hızlandırılabilirse, hedefindeki gezegenin yörüngesine girebilmesi için, yolculuk zamanından sağlanacak tasarrufun yanında, daha az yakıt tüketmesi de gerekecektir.
Bir uzay aracını hızlandırmak ve yavaşlatmak için roket motorları kullanılabilir. Ancak, bu yolculuk için ilave yakıtın taşınmasını gerektirir. Bu yakıtı taşıyacak bir uzay aracının Dünya’nın kütleçekiminden kurtulabilmesi için gerekli hız artışını sağlamak üzere, çok daha fazla yakıt taşıması ve bu yakıtın önemli bir kısmını fırlatışta yakması gerekecektir. Bu durum, yolculuk için ilave yakıtın taşınmasını gerektirir.
Çekim etkili manevra, yakıt harcamadan, uzay aracının hızını değiştirebildiğinden, “hava-frenlemesi” (aerobraking) ile birlikte kullanıldığında önemli miktarda yakıt tasarrufu da sağlar. Merkür’e gönderilen “MESSENGER” aracının yavaşlatılması için kütleçekimi destekli manevra yöntemi kullanıldı. Ancak, Merkür’ün atmosferinin yok denecek kadar az miktarda mevcut olması sebebiyle, bir uzay aracını yörüngesine sokabilmek için “hava freni” yöntemi bir seçenek olmaz. Dünyanın ötesindeki gezegenlere (ve diğer gök cisimlerine) ulaşabilmek için kütleçekimi etkisiyle hız kazanma yöntemi sıkça başvurulan bir yöntemdir.

Gezegenlerarası yolculuklarda, bir uzay aracını hızlandırmak için Güneşin kütleçekimin kullanılması, Güneş’in Güneş sistemine kıyasla sabit konumda olması sebebiyle, mümkün değildir. Ancak, bir aracın Güneş’e yaklaşırken (roket itişi ile) hızlandırılması (powered slingshot) aracın hızlandırılmasında avantaj sağlasa da, aracın Güneş’in radyasyonuna dayanabilecek yeterlilikte olması gerekir.
“Cassini” aracı Satürn yolculuğunda Venüs’ün kütleçekimi desteğini iki defa, Dünya’nın ve Jüpiter’inkini de birer defa kullandı. Aracın 6.7 yıl süren yolculuğu “Hohmann transfer yörüngesi” için gereken altı yıllık yolculuk süresinden biraz uzun olsa da, o tarihte mevcut en güçlü roket olan Titan IV ve Hohman Transfer Yörüngesi ile Satürn’e ulaşmak mümkün olamayacaktı. Kütleçekimi yardımıyla hızlandırma tek seçenekti.