Karadelikten Kara: Vantablack

Siyah renk aslında ışığın yokluğudur. Tanımı gereği siyah üzerine düşen ışığı hiç yansıtmayan bir yüzeydir ya da cisimdir. Ancak bu tanıma uyan hiçbir boya da yoktur. Daha doğrusu 2009 yılında Ulusal Fizik Laboratuvarı’nda (İngiltere) Vantablack’ın üretimine kadar yoktu.

Bilimsel doğruluk adına hemen ekleyelim ki aslında Vantablack bile gerçek anlamda siyah değil, üzerine düşen ışığın %0,035’ını yansıtıyor sadece. Bu bile onu sihirli bir madde yapmaya yetiyor. Vantablack’la kaplanmış buruşuk bir aliminyum folyonun yüzeyindeki kırışıklıklar görünmez oluyor. Bir maskenin arkasında adeta uzay boşluğu varmış gibi görünüyor.

Ama şimdilik Vantablack’ın ne olduğunu, nasıl geliştirildiğini, nasıl çalıştığını, ne işe yaradığını bir kenara bırakıp, “siyah nedir?” sorusuna odaklanalım.

Siyah Nedir?

Siyahın tanımını yapmak ne denli kolaysa, siyah bir cisim bulmak o kadar zordur. Tanım olarak siyahın “üzerine düşen ışığın tamamını absorbe eden bir yüzey ya da cisim” olduğunu söyleyebiliriz. Gel gelelim ki evrende böyle bir cisim yoktur. Fizikçiler gerçek anlamda siyah bir cismi ellerine geçiremeseler de teorik olarak onu inceler ve adına da Kara Cisim derler. Kara cisim, tanımı gereği üzerine düşen tüm ışığı (görünen ve görünmeyen ışıkların tümünü) emen cisimdir.

Ancak böyle bir cisim olamaz. Nedeni gayet basit: Bir kara cisim, üzerine düşen ışığı emince ısınacak ve bu ısıyı çevresine ışınım olarak yayacaktır. Yani kara cisimler ışıma yaparlar! Kısaca gerçekten siyah bir cisim, sadece görünen değil, görünmeyen ışığı da soğurmalı, buna rağmen mutlak sıfır sıcaklığında olmalıdır. (Hiç bir şeyin mutlak sıfırdan daha soğuk olamayacağını not edelim.) Mutlak sıfırın üzerinde sıcaklığa sahip olan her cisim ışıma yapar. O halde kara cisim gerçek siyah cisme örnek olarak gösterilemez. Kafanızda şu iki sorunun belirdiğini duyar gibi oluyorum:

  • Kara delikler gerçek kara cisim sayılabilir mi?
  • Uzay boşluğu gerçek kara cisim sayılabilir mi?

Vantablack_02

Birinci sorunun cevabını hemen verelim: Evet, karadelikler teorik kara cisme iyi bir örnektir. Çünkü üzerlerine düşen her türlü ışınımı yüzde yüz soğururlar. Yani evrendeki her türlü dalga, enerji, parçacık ve foton kara deliğe girer ama kara delikten dışarı hiçbir şey çıkamaz. Doğru mu? Doğru.

Ancak yine de kara delikler “kara” değillerdir, yani ışıma yaparlar. Hatta bu ışımanın bir adı bile vardır: Hawking Işıması… 

Peki, ama bu tanıma aykırı olmuyor mu? Hem kara deliklerin üzerine düşen her şeyi (ışık dahil) yuttuğunu ve hiçbir şeyi geri vermediğini söyleyeceğiz, hem de kara delikler Hawking Işıması yapar diyeceğiz. Kendi kendimizle çelişmedik mi?

Bunun çelişki olmadığını Stephen Hawking kanıtlamıştır. Matematik yoluyla kara deliklerin nasıl ışıma yaptığını açıklamıştır. Şöyle ki: Bir kara delikten dışarı hiçbir şey kaçamaz ama kara deliğin sınırı olan olay ufku evrenden sanal parçacık çalabilir!

Sanal parçacıklar eşler halinde yaratılan çok kısa ömürlü parçacık çiftleridir. Tıpkı boş bir yüzeye baktığımızda gözümüzün önünde belirip kaybolan ışık noktacıkları gibi, evren durmaksızın oluşup yok olan sanal parçacık çiftleriyle doludur. İşte kara delik bu sanal parçacık çiftlerinden bazılarının eşlerini yutar. Eşi yutulan parçacık gerçek bir parçacığa dönüşür ve evrenin malı olur. Bu parçacıklar, uygun bir hareket doğrultusuna sahiplerse, kara delikten kaçabilir ve sonuç olarak da bizlere ışıma olarak görünürler. Zaten aslında gerçek bir kara cisim, aslında aynı zamanda en iyi termal ışınım kaynağıdır ve en iyi ışınımsal soğuma yapan cisim sayılır.Ne demek istiyoruz bununla?

Bilindiği gibi, bir cismin fazla enerjisini atması, yani soğuması, çeşitli yollardan olmaktadır. Bunlardan birisi taşınım aracılığıyladır. Taşınım yoluyla soğuma cismin etrafındaki ortama (hava ya da su) ısı aktarması ile olur. Ancak uzay boşluğunda bir cisim bu yolla soğuyamaz, tek şansı ışıma yapmaktır. Bu nedenle gök cisimleri sadece ışınım yaparak soğuyabilirler. Bu çok yavaş bir soğuma biçimidir ama vakumdaki bir cismin soğumasının da başka yolu yoktur. O halde teoride en iyi ışınımsal soğuma yapan cisim, siyah cisimdir. Yapılan hesaplar kara deliklerin Hawking ışıması ile yavaş yavaş kütle kaybettiklerini (buharlaştıklarını) göstermektedir. O halde bir kara delik gerçek anlamda kara olmadığından bizim yaptığımız tanım anlamında siyah cisme örnek olamazlar.

Uzay boşluğu kara mıdır?

Bu sorunun cevabı da “hayır”dır. Ama neden? Tanımı gereği uzay boşluğu hiçbir şey içermediğine göre, siyah olması gerekmez mi? Ne yazık ki hayır! Uzayın en boş bölgeleri bile (galaksiler arası uzayda büyük oranda maddeden yoksun büyük bölgeler vardır) aslında boş değildir çünkü.

Bu yazdıklarım belki sizleri şaşırtacaktır. Çünkü bizler uzayın “boş” olduğu fikriyle yetiştiriliyoruz. Oysa uzay hiçbir zaman boş değildir. Güneş sistemi çok seyreltik bir gazla doludur. Yıldızlararası uzay da keza öyle… Galaksiler arası uzayda bile çok seyrek gazlar vardır. Bu gazların arasında boş bölgeler bulunur ama onlar bile tam anlamıyla boş sayılmaz, çünkü her yönden gelen ışınımla doludur. Uzak yıldızların ışığı buna bir örnektir. Yani bizim en boş dediğimiz yer bile uzak yıldızlardan gelen ışıkla, yani fotonlarla doludur.

Peki, ama gerçek anlamda boş bir uzay parçası bulunamaz mı? Evet, böyle büyük boşluklar bulunsa bile yine de bunlara tam anlamıyla “boşluk” diyemiyoruz, çünkü uzayın her yeri, en küçük milimetre küpü bile, evrenin tamamını dolduran ve mikrodalga arka plan ışınımı denen zayıf bir ışıkla doludur. Kısaca evrenimizde gece lambası daima açıktır. Belki mutlak sıfır sıcaklığında (yanı -273 derece santigrad sıcaklıkta) bir cisim gerçek anlamda siyah olabilirdi. Ama ne yazık ki bu da mümkün değil, çünkü bilindiği kadarıyla hiçbir cisim mutlak sıfır sıcaklığına erişemez.

Bu kadar fizik yeter!

Bizler günlük hayatta siyah olan ve sadece görünür ışığın tamamını soğuran bir maddeye de güle oynaya “siyah” diyebiliriz. Ancak, teorik olarak böyle bir cismin ya da boyanın yapılması imkânsızdır. Yine de Vantablack ve öncülü olan Süper Siyah gibi malzemelerle oldukça yüksek bir siyahlık oranı yakalanabilmiştir.

Nasıl Çalışıyor?

Vantablack, yakından bakılınca aslında kadifeye benziyor. Nano boyuttaki karbon tüplerinin dikey olarak bir yüzey üzerinde büyütülmesi ile elde ediliyor. Bu karbon tüp ormanı, üzerine düşen ışığı içerde hapsederek, soğurulana kadar kaçmasını engelliyor. Bunu bir yüzeye dikey olarak yerleştirilmiş yanyana borular olarak düşünebilirsiniz. Yüzey üzerine düşen ışık ışınları, boruların içinde absorbe olana kadar yansıyor. Zaten VANTA ismi de onun çalışma prensibinden yola çıkılarak verilmiş: Vertically Aligned Carbon Nanotube Arrays. Yani: Dikey Olarak Hizalanmış Karbon Nanotüp Dizileri.

Özellikleri

Vantablack sadece görünen değil, kızılaltı ışınların da büyük bölümünü soğuruyor ki bu özelliği onun değerini daha da arttırıyor. Bu maddeyle kaplanmış bir yüzey nasıl görünür? Videolarda da görüldüğü gibi, Vantablack’la kaplanmış bir yüzey, neredeyse tamamen görünmez hale geliyor. Yüzeyin bütün ayrıntıları, kıvrımları, tepeleri vs. yok oluyor, bunların hiç birini göremiyorsunuz. Tek görebildiğiniz, siyah bir boşluk, o kadar. Adeta uzaya açılmış bir pencere gibi. Bugüne kadar üretilmiş siyah boyalar arasında (ki bunlara matte boyaları ve süper black da dahil) Vantablack açık ara öne çıkmış durumda. Onunla karşılaştırıldığında diğer siyah boyalar gri gibi görünüyorlar. Çok güçlü bir ışıkla aydınlatıldığında bile siyahlıklarından pek bir şey kaybetmiyorlar.

Genellikle siyah bir cisme bakış açısı 180 dereceye yaklaştığında yansıtma özelliği artmaktadır. Bu yüzden yanlamasına tutulduğunda bütün cisimler ayna gibi parlaklaşmaya başlarlar. Bu oldukça iyi bilenen bir olgudur. Hatta ultraviyole teleskoplar bu ilkeye göre yapılır. Bu tür teleskoplarda kullanılan aynalar derin parabollerdir. Ancak Vantablack’la kaplanan yüzeyler, dar açıdan bakıldıklarında bile soğurucu özelliklerini kaybetmez ve kaplandıkları yüzeyleri görünmez yaparlar. Vantablack’la kaplanmış bir cismi görmek, bir tür illüzyon hissi verir. Aslında orada olan bir şey olduğunu hissedersiniz ama o cismi göremezsiniz. Tek görebildiğiniz cismin konturudur.

Ne işe yarar?

Müzelerde ilgi nesnesi olarak, ofis ve evlerde dekorasyon ve süsleme amaçlı kullanımın dışında Vantablack nerelerde kullanılabilir? Esasında bu soruya verilebilecek yanıtlar hayal gücümüzü bile aşmaktadır. Şimdilik aklımıza gelen bir kaçını sıralayalım:

1) Teleskoplarda: Teleskopların (özellikle de mikrodalga teleskoplarının) iç kısımları Vantablackla kaplandığında kaçak ışığın içeri girerek görüntüyü bozmasını engelleyecektir. Bu da çok ciddi bir performans artışı sağlar. Böylece en sönük yıldızları bile görmek mümkün olacaktır. Bildiğimiz kadarıyla Hubble uzay teleskopununun iç kısmı çok keskin bıçaklarla kaplanarak kaçak ışık sönümlendirilmeye çalışılmıştı. Vantablack bu işi daha iyi başaracak. Bildiğimiz kadarıyla Hubble’ın tamiratı sırasında bu bıçaklar astronotlar için tehlike oluşturmuşlardı.

2) Optik araçlarda: Birçok optik araç kaçak ışık denen ve görüntü kalitesin bozan bir sorunla yüz yüzedir. Vantablack kaplaması her türlü optik aletin verimini arttıracaktır.

3) Termal Kamuflajlarda: Vantablack kızılötesi ışınları da soğurduğundan termal kamuflaj malzemesi olarak kullanılmaya çok elverişlidir. Vantablack kaplı giysiler geceleri askerleri hem görünür ışık hem de kızılötesi ışık altında görünmez yapacaktır.

4) Sinema salonlarında: Bilindiği gibi sinema perdesinde siyah renk yoktur! Perdede gördüğümüz siyahlık bir illüzyondur. Bir oyuncunun siyah gömleği ekranda ne kadar büyük yer kaplıyorsa o kadar gri görünecektir. Bunun nedeni, projektörden çıkan ışınların sinema duvarlarından yansıyıp perdeyi aydınlatmasıdır. Büyük perdeli salonların tam olarak karartılamamasının nedeni de budur. Oysa Vantablackla kaplanmış bir salonda ekran ne denli parlak olursa olsun, salon daima karanlık olacak, perdedeki siyahlık da gerçek siyaha yaklaşacaktır, böylece çok daha kontrastlı bir görüntü oluşturulabilecektir.

5) Güneş Kolektörlerinde: Bilindiği gibi çatılarda kullanılan ve güneş enerjisini doğrudan ısıya çeviren sıcak su kolektörlerinin verimli çalışabilmesi, ışığı soğuran malzemenin kalitesine bağlıdır. Bu tür kolektörler Vantablack’la kaplanarak güneş enerjisinden çok daha verimli yararlanmak mümkündür. Belki de kışın bile ısıtma yapabilen güneş enerjisi panelleri yapmak mümkün olacaktır.

6) Matte Ekranlarda: Bence kısa bir zaman içinde Vantablack ekranlar sinema ve video sektöründe arka planı yok etmek amaçlı kullanılan ve yeşil ekran denilen yüzeylerin yerini alacaktır. Gerçek anlamda siyah bir arka plana sinema sektöründe paha biçilemez. Mavi ya da yeşil ekranların sorunları vardır. Mavi ekran kullanıldığında artık o sahnede mavi renk kullanamazsınız, keza yeşil ekranda da öyledir. Bunların yerine Vantablack kullanıldığında sorun ortadan kalkacaktır. Ayrıca Vantablack üzerine düşen ışığı tamamen soğurduğundan stüdyo ışıklarının matte üzerine düşmesi sorun yaratmayacaktır. Böylece arka planı çok daha mükemmel bir şekilde ayrılmış filmler çekmek mümkün olacaktır. Bence Vantablack’a en çok yatırım yapanlar film yapımcıları ve özel efekt şirketleri olacaktır.

7) Moda Sektöründe: Hangi kadın giyildiğinde derin uzay gibi görünen ve insanların gözünü alan bir elbiseye hayır diyebilir ki? Hele de o giysi yıldızlar ve galaksiler gibi parıldayan pırlantalarla kaplıysa.

8) Ev ve ofis dekorasyonu: Vantablack’la kaplanmış ofis heykelcikleri ilgi çekici olacaktır.

9) Biblolar, ödül heykelcikleri ve eşantiyonlar: Uzun uzun açıklamaya gerek yok, Vantablack’la kaplanmış bir heykelcik kimin hoşuna gitmez ki.

10) Müze ve Sergilerde ve Sanat Eserlerinde: Bilim ve sanat müzelerinde Vantablack’la kaplanmış araç gereç ve oyuncaklar herhalde en çok ilgi çekenler arasında olacaktır.

11) Askeri Uygulamalar: Generallerin hayal gücü kıttır ama iş silah yapımına gelince, doğrusu hepimize nal toplatırlar. Gelecekte silah ve askeri malzemelerin yapımından Vantablack’ı sıkça göreceğimizi tahmin ediyoruz.
Şimdilik aklımıza gelen kullanımlar bunlar. Ancak kabul edelim ki aklımıza gelmeyen daha birçok yerde kendisine kullanım alanı bulacağı kesindir.

vantablack

Vantablack’ın patent sahiplerine milyarlarca dolar kazandıracağı kesin gibidir. Bu da yüksek teknolojiye yapılan Ar-Ge yatırımlarının geri dönüşünün ne kadar yüksek olabileceğini bize gösteriyor. “Avrupa, Amerika battı” diyenler, bu örnek üzerinde düşünmelidir. Yüksek teknolojiye dayalı, yükte hafif pahada ağır buluşlar ağır sanayi ve inşaat gibi sektörlerden çok daha karlıdır. Yüksek teknolojide öncülüğün ne kadar önemli olduğunu sadece Vantablack örneğine bakarak kavrayabiliriz.

Sinan İpek

Matematiksel

Yazıyı Hazırlayan: SİNAN İPEK

Yazar, çizer, düşünür, öğrenir ve öğretmeye çalışır. Temel ilgi alanı Bilimkurgu yazarlığıdır. Bunun dışında Matematik, bilim, teknoloji, Astronomi, Fizik, Suluboya Resim, sanat, Edebiyat gibi konulara ilgisi vardır. Ara sıra sentezlediklerini yazı halinde evrene yollar. ODTÜ Matematik Bölümü mezunudur ve aşağıdaki başarılarıyla gurur duyar:

TBD Bilimkurgu Öykü yarışmasında iki kez birincilik,
2. Engelliler Öykü yarışmasında birincilik,
Ya Sonra Öykü Yarışması’nda finalist,
Mimarlık Öyküleri Yarışması’nda finalist,
44. Antalya Altın Portakal Belgesel Film Yarışmasında finalist.

Bunlara da Göz Atın

Bilim ve Sanatın Doğayı Taklit Etmesi: Biyomimetik

Biyomimetik; sözlük anlamı olarak doğadaki modelleri inceleyen, sonra da bu tasarımları taklit ederek veya bunlardan …

Bir Yorum

  1. Harika bir yazı bir solukta okudum tebrikler

Bir Cevap Yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir

ga('send', 'pageview');