Mars’a gönderilen rover’larda ilk görevlerde elektrik gücü için Güneş panelleri kullanılmaktaydı, ancak mühendisler güneş panellerinin Mars yüzeyinde önemli bir problemle karşılaştığını fark ettiler: “Toz”. Mars yüzeyindeki toz rüzgârlarla taşınıp, araçların güneş panellerinin üzerine kabus gibi çöküyordu. Bu da panellerin ürettikleri enerjinin, panellerde herhangi bir bozulma olmasa bile ciddi anlamda azalmasına ve aracın tamamen kullanılmaz hale gelmesine neden oluyordu.
Hazin bir örnek vermek gerekirse; Haziran 2018’de Mars’ta yaşanan bir toz fırtınasının günlerce Güneş’i karartması sonucunda Opportunity (Fırsat) roverinin ince toz ve çakıl ile örtülmesine neden olmuş ve araç tüm umutlara rağmen kurtarılamamıştı.
Bunu sorunu çözmek için çeşitli yöntemler denendiyse de tam olarak istenilen sonuç elde edilemedi. Bunun üzerine mühendisler tozdan etkilenmeyecek, hatta Güneş’e de ihtiyaç duymayacak bir alternatif enerji kaynağına geçilmesine karar verdiler.
Resim-1. Radioisotope Thermoelectric Generator-RTG görünüşü. Image Credit: NASA/JPL-Caltech
Nükleer enerji kullanan bu güç kaynaklarına Radyoizotop Termoelektrik Jeneratör (Radioisotope Thermoelectric Generator-RTG) adı veriliyor. Ancak uzun süre enerji veren ve tek kullanımlık piller gibi düşünebilecek bu araçları içerdikleri radyoaktif malzemeler nedeniyle günlük hayatta kullanılmamaktadır.
Mars rover prototipimizin güç kaynağını ise şarj edilebilen bir batarya bloğu oluşturmaktadır. Bu blok oldukça yaygın kullanımı bulunan 18650 formunda Li-Ion pilden oluşmaktadır. Bu pillerin her biri 3.7V gerilime ve 2000mAh kapasiteye sahiptir. (Farklı üreticiler farklı akım kapasitesi değerine sahip piller üretebilir. Bu değerler pilin üzerinde yazmaktadır.)
Bu haliyle her bir pilin verebileceği enerjiyi (E = P x t) formülüyle bulabiliriz. Buradaki “P” ise pilin verebileceği güçtür ve (P = V x I) formülüyle bulunur. Pillerden anlık olarak farklı akım değerleri çekilebilir ancak bizim enerji hesabımız için 1 saat süreyle verebildiği “2000mA i“yani “2A i “kullanırsak:
P=3.7 x 2 = 7.4Watt
Çıkan sonuç; bir pilden 1 saat boyunca 7.4W güç elde edebiliyoruz. Bunu süreyle de (burada 1 saat) çarparsak pilimizin enerji kapasitesini bulabiliriz.
E=P x t=7.4 x 1=7.4Wh
Pillerimizi birleştirerek elde ettiğimiz güç kaynaklarımıza “Batarya” adı veriyoruz. İster seri bağlayın, isterseniz paralel; toplamda elde ettiğiniz bataryanın enerji kapasitesi her bir pilin enerji kapasitelerinin toplamı kadar olacaktır. Eğer pillerin her biri özdeşse:
olarak bulunur.
Rover prototipi elektrik sisteminin çalışabilmesi için 7.4V gerilim yeterli olmaktadır. Bu nedenle 2 adet 18650 pilin seri bağlanması ile elde edilecek gerilim aracı çalıştırabilir. Diğer önemli bir konu ise sistemin çekeceği akımdır ve bu da kullanacağımız bataryaya bakarak prototipin ne kadar çalışabileceğini anlamamızı sağlar. Elbette ki kullanım şekline göre prototipin harcayacağı güç farklı olacaktır.
Bu nedenle de farklı kullanma biçimleriyle aynı bataryayla farklı sürelerde çalışma yapmak gayet normaldir. Bu durumda ortalama güç kullanım değerlerini belirleyerek bir fikir elde etmek mümkündür. Buna göre elimizdeki güç ihtiyaçlarına bakalım;
- Her biri 160mA akım çekecek olan tekere bağlı 6 adet motor. Toplamda 960mA@7.4V =7.14W ,
- Kontrol sistemi ve motor sürücüsü:
- Kamera (ESP32CAM) = ~310mA @5V = 1.55W,
- Yüzey detektörü = ~20mA@5V = 0.1W .
Diğer bileşenler bu bileşenlere göre önemsiz güç harcarlar. Bu durumda tahmini olarak toplamda 9.653W güç çekileceğini düşünebiliriz.
2 Adet 18650 pili seri bağladığımızda elde edeceğimiz batarya yukarıdaki hesaplamayla 2 x 7.4Wh = 14.8Wh enerji kapasitesine sahip olacaktır. Bu durumda sistem tam şarjda yaklaşık 1,5 saat kadar çalışabilir.
Bu arada, gerekli güç dönüşümlerinin mutlaka kayıplı olacağını ve bunun da harcama olarak eklenmesi gerektiği unutulmamalıdır. Tüm sistemin güç harcamasını ise sistemi kurup denemeden öğrenebilmek zordur. Ayrıca ilerleyen aşamalarda prototipe yeni bileşenler de eklenmesi gerekecektirr. Tüm bu sebeplerle güç hesabının baştan itibaren iyi değerlendirilip, 4 adet pil kullanmak daha doğru olacaktır. Bunun için de şöyle bir düzenleme yapabiliriz;
Resim-2. 18650 tip pillerin bağlantısı.
Şekilde de görüldüğü gibi iki adet pili seri bağlamak yerine her birine birer tane de paralel pil bağladık. Bilindiği gibi paralel bağlamada toplam batarya gerilimi değişmez ama akım kapasitesi iki katına çıkar (özdeş piller için…).
Bu şekilde elde edeceğimiz batarya şekilden de görülebileceği gibi 7.4V ve 4000mAh yani 4Ah kapasitede olacaktır. Bu da bize 29.6Wh bir enerji kapasitesi verecektir. Yukarıdaki hesaplamalara göre çalışma zamanımız 3 saate yaklaştı. Ancak daha önce de belirttiğimiz gibi gerçek bir sistem oluşturup denemeden kesin sonucu elde edemeyiz.
Pil mi, Güneş Paneli mi?
Şimdilik her şey yolunda gibi görünüyor. Peki, model roverımıza Mars yüzeyinde çok işe yaramasa da pratik çalışmalarımızda çok işe yarayacak güneş panellerinden kullanmış olsaydık neler olacaktı? Bunu da değerlendirelim.
Roverımızın üstü yüzeyini bir dikdörtgen olarak düşünürsek ölçüleri aşağı yukarı 420x260mm. olarak değerlendirebiliriz.
Bulabileceğimiz standart güneş hücrelerinden birisi yukarıda gördüğümüz 105mm x 66mm ölçülerinde olan 6V’ta 150mAmax akım verebilen hücreyi değerlendirebiliriz.
Resim-4. Birleştirilmiş 16 adet güneş hücresi.
Bu hücrelerden 16 tanesini yukarıda görüldüğü gibi dizdiğimizde 420mm x 264mm ölçülerinde bir panele sahip oluruz. Yani bir kenarı roverımızı biraz aşar ancak sorun olmayacaktır.
Elde ettiğimiz bu panel bize ne kadar güç verebilecek?
Bakalım… Her bir hücre 6V ta maksimum 150mA yani 0.15A akım verebiliyorsa bir hücreden P = V x I = 6 x 0.15 = 0.9W güç elde edebiliriz.
Bu hücrelerden 16 adet kullandığımız için bu değeri 16 ile çarparak güneş panelimizin verebileceği toplam gücü bulabiliriz. Bu da Ppanel = 0.9 x 16 = 14.4W eder.
Unutmamak gerekir ki bu değer panelimizin verebileceği maksimum değerdir. Bu halde bile roverımızın güç ihtiyacını tek başına karşılayabilecek gibi görünse de panelin sürekli olarak bu gücü vermesi mümkün değildir. Bu anlamda yapılabilecek en mantıklı iş, panellerden elde edilecek enerjiyi roverın bataryasını şarj etmek için kullanmaktır. Bataryamız 29.6Wh değerinde olduğuna göre en iyi şartlar altında ve gerilim dönüştürme kayıplarını göz ardı ederek hesaplarsak;
olarak bulunur. Yani panelimiz mükemmel şartlar altında boş bataryamızı 2.05 saatte tam olarak doldurabilecektir. Tabi gerçekte panelimizin sürekli dik bir güneş ışığı alamaması ve gerilimi dönüştürecek/şarj işlemini sağlayacak devrelerin %20 civarındaki kayıplarını da görmezden geldik.
Neticede bu iş daha uzun sürecek, bunu rahatlıkla anlayabiliyoruz. Ancak şu da var ki, model rover durup çalışacak, belli noktalarda çok az enerji harcayarak bilimsel çalışmalar yapmak için bekleyecek, bu arada da panellerden gelecek enerjiyle şarj işlemine devam edebilecektir. Üstelik bataryamızı da her seferinde tamamen boşaltıp yeniden şarj etmeyeceğiz. Yani pratikte güneş panelimiz çok da fena değil.
Makaledeki Kısaltmalar
- A : Amper (Akım birimi)
- mA : Miliamper(1Amperin 1000 de 1 i)
- mAh : MiliAmper.Saat (Akım kapasitesi birimi) Genellikle pillerin/bataryaların kapasitesini belirtmek için kullanılır.
- V : Volt (Gerilim birimi)
- W : Watt (Güç birimi)
- Wh : Watt.Saat (Enerji birimi)
