Yazar :  ERHAN KURMUŞ

Nöromorfik Mühendislik 

Akıllı malzemeler (şekil hafızalı alaşımlar ve polimerler), sıcaklık ve gerilim gibi uyaranlarla önceden öğretilmiş formlarına geri dönebilen “hafızalı” yapılar olarak havacılıkta devrim yaratıyor. Havacılıkta “canlı” uçaklar dönemi başlıyor; gökyüzü artık şekil değiştiren, çevresiyle uyumlu yapılarla tanışıyor. “Duygu ve hayaller bir nöronla başladı.” Santiago Ramón y Cajal

Gece yarısı hangarın derinliklerinde veya hat bakım operasyonu yaptığınız sırada, uçağın kanadına son kontrolleri yaptığınızı düşünün. Metal ve kompozit karışımı bu dev yapının bir parçası hafifçe kendi kendine hareket etse ne hissedersiniz? Sanki uçak bir nefes alıyor, canlı bir organizma gibi davranıyor... Bu sahne, bilim kurgu olmaktan çıkıp havacılığın yeni gerçeklerine dönüşüyor. Gelişen akıllı malzeme teknolojileri sayesinde uçaklar artık ortama uyum sağlayan, şekil değiştirebilen parçalara kavuşuyor. Küçük bir nöron misali, malzemenin hafızasındaki bir fikir koca bir uçağın davranışını değiştirebiliyor. Bu yazıda, o nöronun hikâyesine başlıyoruz: Şekil hafızalı alaşımlar ve polimerler gibi “canlı” malzemelerin havacılıkta yarattığı heyecan verici dönüşüme göz atacağız.

Akıllı malzemeler: Metallerin ve polimerlerin hafızası

 İnsan vücudunda bir nöron elektrik sinyaliyle bilgi taşır; benzer şekilde akıllı malzemeler de sıcaklık veya gerilim gibi uyaranlarla şekil değiştirme bilgisi taşırlar. Özellikle şekil hafızalı alaşımlar (Shape Memory Alloy - SMA) ve şekil hafızalı polimerler (Shape Memory Polymer - SMP), dışarıdan verilen bir uyarıyla önceden “öğretilmiş” bir şekli hatırlayarak o forma dönebilen malzemelerdir. Nikel-Titanyum alaşımı olan Nitinol, bu alandaki en ünlü örneklerden biridir. Bu alaşım, belirli bir sıcaklıkta kristal yapısını değiştirerek bükülebilir ve ardından ısı uygulandığında eski şekline geri döner. Adeta metalin içinde gizlenmiş bir hafıza varmışcasına, malzeme her dönüşümde hiç zorlanmadan aynı formu tekrar bulur. Benzer şekilde, bazı polimerler de (özel akıllı plastikler) düşük sıcaklıklarda sert ve yapısal davranırken, belirli bir sıcaklığın üzerine çıktıklarında kauçuk gibi esnek hale gelebilirler. Bu sayede bir parça soğukken sağlam bir yapı elemanı iken, ısıtıldığında yumuşayarak farklı bir şekle kolayca geçirilebilir. 

Örneğin, NASA’nın araştırmalarında polimer bazlı şekil hafızalı malzemelerin cam geçiş sıcaklığı üzerine ısıtıldığında elastomer gibi davranıp soğuduğunda tekrar sertleşebildiği gösterilmiştir. Bu dramatik esneklik değişimi sayesinde, uçak yüzeylerinde normalde problem yaratacak temas basınçlarını azaltmak veya boşlukları doldurup tekrar açığa çıkarmak mümkün olabilir.

 Motorlardaki sessiz devrim:  

Uçak egzozlarında hafızalı alaşımlar

 Havacılıktaki akıllı malzemelerin ilk dikkat çekici örneklerinden biri, yolcu uçaklarının motorlarında yaşandı. Motorun egzoz çıkışındaki tırtıklı kenarlar, yani chevron adı verilen parçalar, uçak gürültüsünü azaltmak için yıllardır kullanılıyor. Ancak Boeing firmasının Quiet Technology Demonstrator 2 (QTD2) programında bu chevron’lar “akıllı” bir hale getirildi.

 Boeing 777 QTD2 motorundaki hareketli chevron ve SMA yakın planı. Boeing, GE Aviation, NASA ve diğer ortaklar QTD2 projesinde, bir 777-300ER uçağının motoruna şekil hafızalı alaşımlardan yapılmış hareketli chevron’lar entegre etti. Bu Nitinol alaşımlı chevron’lar, sıcaklığa bağlı olarak iki farklı pozisyona geçecek şekilde “eğitildi”. Uçak kalkış için motorlarını çalıştırıp taksi yapmaya başladığında ortam ısısının ve egzoz sıcaklığının etkisiyle alaşımın kristal yapısı değişiyor ve chevron parçaları yaklaşık 2,5 cm içeri doğru bükülüyor. Bu pozisyon, motorun çıkış akımını karıştırarak gürültüyü azaltacak şekilde tasarlanmış durumda. 

 Uçak irtifa kazanıp seyir yüksekliğine ulaştığında ise dış ortamın soğuk havası aynı malzemeyi tekrar orijinal düz formuna döndürüyor; chevron’lar geri çekilip egzoz hattıyla hizalanıyor. Hiçbir hidrolik motor veya elektrikli aktüatör olmadan, yalnızca malzemenin ısıya tepkisiyle gerçekleşen bu hareket, mühendisleri bile hayrete düşürecek kadar “biyolojik” görünüyor. Sonuçta kalkışta gürültü azaltılırken, seyirde chevron düzleştiği için aerodinamik verimlilik korunuyor. Boeing’in mühendislik ekibinden Eric Nesbitt, bu akıllı chevron tasarımıyla kalkış gürültüsünde kayda değer azalma sağlanırken seyir performansından ödün verilmediğini vurguluyor. Bu teknoloji o kadar başarılıydı ki, 787 Dreamliner gibi uçaklarda sabit chevron’lar standart olarak kullanılmaya başlandı. QTD2’deki deneyimli teknisyenler ise bu “hareketli” prototipleri yakından inceledi; malzemenin tekrarlayan bükülmelerde yıpranma belirtileri gösterip göstermediğini anlamak için yüzey erozyonu ve yorulma testleri dahi yapıldı. Görünen o ki, şekil hafızalı alaşımlar, uygun tasarlandığında, geleneksel parçalara kıyasla bakım açısından da makul bir performans sunabiliyor.

Kanatlarda Değişim Rüzgarı: Adaptif Kanat Teknolojiler

 Motorlardaki sessiz devrimin bir benzeri, kanat yapılarında da yaşanıyor. Uçak kanatları, uçuşun farklı safhalarında (kalkış, tırmanış, seyir, iniş) aslında farklı şekillere ihtiyaç duyar. Şimdiye dek bunun için flaplar, slatlar gibi hareketli parçalar kullanıyorduk. Fakat yeni araştırmalar gösteriyor ki, kanadın kendisi de şekil değiştirebilir yapıda tasarlanırsa, uçuş verimliliğinde çığır açacak iyileştirmeler mümkün.

 NASA’da SMA aktüatör ile kanat testi yapan mühendis. NASA, Spanwise Adaptive Wing (SAW) adını verdiği projede, uçağın kanat uçlarını uçuş sırasında katlayarak farklı açılara getirmeyi başaran bir teknoloji geliştirdi. Yukarıdaki görselde NASA mühendisi Dr. Othmane Benafan, bir F/A-18 araştırma uçağından alınan kanat bölümünü ve ona entegre edilen şekil hafızalı alaşımlı aktüatörü inceliyor. Bu sistemin kalbinde, içinden elektrikle ısıtılan şekil hafızalı alaşım tüpler bulunuyor. Uçuş esnasında ihtiyaç duyulduğunda bu alaşım ısıtılıyor ve tork üreten bir bükülme hareketi gerçekleştirerek kanat ucunu yukarı veya aşağı döndürüyor. Geleneksel hidroliğin yerini alan bu termal aktüatörler, aynı işi yüzde 80’e varan oranda daha hafif bir sistemle yapabiliyor. Nitekim NASA’nın testlerinde insansız bir test aracı (PTERA) üzerinde kanat uçları 0 dereceden 70 derece yukarı konuma kadar başarıyla katlandı ve tekrar düz hale getirildi. Üstelik bu işlemler sırasında ne hidrolik pompalara ne de devasa motorlara ihtiyaç duyuldu; kanat adeta kendi kaslarını kullandı diyebiliriz. Bu teknoloji sayesinde gelecekte uzun ve ince kanatlı yolcu uçaklarının, yerde taksi yaparken kanat uçlarını dikey konuma katlayıp havaalanı kapılarında rahatça manevra yapması da mümkün olabilecek. Dahası, süpersonik uçuşta kanat uçlarının aşağı katlanarak “dalga üzerinde sürüş” etkisiyle sürüklemeyi azalttığı hesaplanıyor, ki bu da daha verimli ve hızlı uçuşlar anlamına geliyor. Sadece alaşımlar değil, yeni nesil kompozit malzemeler de adaptif kanatlar için devrede. NASA ve MIT işbirliğinde yürütülen bazı projelerde, kanat yapısı yüzlerce küçük modüler parçadan oluşan bir kafes (lattice) olarak tasarlandı. Karbon fiber kompozit malzemeden imal edilen bu kafes yapı, ince bir polimer tabaka ile kaplanarak geleneksel kanat formu veriliyor. Fakat içerideki o ince örgü sayesinde kanat, bütünsel olarak bükülüp şekil değiştirebiliyor. Örneğin NASA Ames araştırma merkezindeki MADCAT projesinde, böyle ultra hafif bir kanat yapısının aktif bükülme ile uçuş sırasında sürekli optimize forma geçebileceği gösterildi. Bu kanatlar, adeta kuşların kanat çırparken yaptığı ince ayarları taklit ediyor. Onlarca menteşe ve parça yerine yekpare esneyebilen bir yapı olduğu için de çok daha hafif ve bakımının kolay olması hedefleniyor. İlk prototipler NASA’nın rüzgâr tünellerinde başarıyla test edildi; yüzlerce küçük üçgen parçanın birbirine cıvatalandığı kafes kanat, farklı yük koşullarında pasif olarak kendi şeklini ayarlayabildi. Yani ileride bir yolcu uçağının kanadı, uçuş boyunca sürekli yaşayan bir yüzey gibi duruma göre şekil değiştirebilir.

 Spanwise Adaptive Wing konseptini gösteren karbon fiber kanat yapısı. Bu görsel, adaptif kanat konseptini karbon fiber kompozit bir yapıyla gösteren tasarımlardan biridir. Kanadın uç kısımları yukarı doğru katlanmış halde görülüyor. Hem SAW projesinin hedeflediği bu katlanabilirlik, hem de karbon fiber kafes yapının sağladığı bükülebilirlik bir araya gelerek, geleceğin uçağını adeta doğadaki kuşlara benzetiyor. Karbon fiber dokulu kanat yapısı, yüksek dayanımını korurken ihtiyaç anında farklı şekillere girebiliyor. Bu tarz konsept uçaklarda, bakım teknisyenleri için de yeni bir çağın başlayacağı kesin.

 Teknisyenler için Yeni Bir Dönem: “Canlı” uçaklarla çalışmak

 Bu hızlı gelişmelerin ışığında, uçak bakım teknisyenlerinin rolü de evrim geçirecek gibi görünüyor. Klasik bir teknisyen, hidrolik sistemlerdeki sızıntıları, mekanik parçaların aşınmasını kontrol eder. Peki ya geleceğin teknisyeni, bir parçanın “hafızasını” kontrol etmek zorunda kalırsa? Örneğin, şekil hafızalı bir alaşım aktüatörün hâlâ doğru sıcaklıkta doğru bükülmeyi yapıp yapmadığını test etmek, belki de bir ısı tabancası ve termal kamera ile yapılacak rutin bir bakım prosedürü olacak. Polimer esaslı bir morphing (şekil değiştiren) flap’in zamanla özellik kaybedip kaybetmediğini anlamak için, onu belli bir sıcaklığa ısıtıp esnekliğini ölçmek gerekebilecek. Yani bir bakıma, teknisyenler malzemelerin “sinir sistemini” muayene eden doktorlar gibi çalışacaklar.

 Bu durum, eğitim ve uzmanlık açısından da yeni ufuklar açacak. Malzeme bilimi ve havacılık mühendisliği artık bakım hangarında buluşacak. Teknisyenler, bir SMA tork tüpünü yeniden eğitmek (re-training) zorunda kalırlarsa neler yapmaları gerektiğini öğrenecekler. Belki de bakım el kitaplarına yeni bölümler eklenecek: “Aktüatör alaşımının faz dönüşüm sıcaklığını yılda bir kalibre edin” gibi maddeler göreceğiz. Bir yandan da, arıza teşhis yöntemleri değişecek; artık sadece basınç göstergeleri veya elektrik devreleri değil, malzemenin mikroyapısına dair ipuçları da izlenecek. Elbette bu teknolojilerin sahada güvenilirliğini kanıtlaması gerekiyor. Ancak ilk prototipler cesaret verici: Boeing’in 2012’de bir 737 test uçağında, küçük bir flap parçasını SMA aktüatörle başarıyla hareket ettirdiğini biliyoruz. NASA’nın ise insansız testlerle başladığı adaptif kanat çalışmalarını gerçek bir jet üzerinde denemeye hazırlandığı haberleri geliyor. Tüm bu gelişmeler, bakım profesyonellerinin deneyimini bambaşka bir boyuta taşıyacak.

 Yeni başlayan bir hikâye

 Bir uçak bakım teknisyeni için “akıllı malzemeler”, sıradaki büyük dönüşümün habercisi. Bu yazıda, bir nöronla başlayan hayalin ilk adımını gördük: Metal ve polimerlere adeta bir hafıza, bir yaşam kıvılcımı vererek uçaklara yeni kabiliyetler kazandırıyoruz. Gökyüzü, artık sabit şekilli kanat ve parçaların hükmünde değil; değişime uyum sağlayan, ortamla etkileşen “canlı” yapılarla tanışıyor. Ve bizler, bu dönüşümün tam kalbindeyiz.