Görünmezin Gücü

Günlük hayatta kullandığımız malzemelerin kaderi çoğu zaman fiziksel sınırlarına mahkûmdur; en sert çelikler zamanla aşınır, uçaklar devasa gövdelerini havada tutmak için tonlarca yakıt tüketir ve ABD’de Savunma Bakanlığı sadece korozyon kaynaklı bakım masrafarı için yılda 10 milyar dolar harcar. Toplam korozyon kaybı ve bakım masrafı ise 23 milyar dolara ulaşır.

Bunun nedeni ise gelişen Modern Savaş teknolojisine bağlı olarak Savunma platformların bu gereksinimleri karşılamasında kullandığı klasik malzeme ve teknolojilerin yeterli olamamasıdır. Buna karşılık sağlanan ve devam eden gelişmeler nano teknoloji ve kuantum çözümlerinin hızla bu platformlara entegre olması bize çözümün fizikçi Feynman’ın nanoteknoloji için söylediği “Aşağıda daha bolca yer var” sözünü hatırlatıyor çözümün daha derinlerde bir yerde olduğunu hissettirmektedir.

 

Bu nedenle bugün, bu makro engelleri aşmak için atomların arasındaki o gizemli dünyaya yöneliyoruz. Nanoteknoloji dünyasına adım atmak, bildiğiniz fizik kurallarını kapıda bırakmak demektir. Bu ölçekte maddeler; manyetik, optik ve elektriksel olarak makro dünyadakinden tamamen farklı, hatta bazen “asi” davranmaya başlar.

Bilimsel çerçeve bize bu mikro evrenin sınırlarını şöyle tanımlar:

“Nano kelimesi teknik bir ölçü birimi olarak kullanılmakta ve herhangi bir ölçünün milyarda biri anlamını taşımaktadır. Nanometre, 1 metrenin milyarda biri ölçüsünde bir uzunluğu ifade etmekte ve yaklaşık 7 atomun ardarda dizilimi olarak temsil edilebilmektedir.

Nanobilim, 0,1 nm ile 100 nm ölçekleri arasında maddenin manipülasyonu ve karakterizasyonuyla ilgilenen; fizik, kimya, biyoloji gibi bilim dallarının nanoölçekte bir araya gelmesiyle oluşan bilimdir.

 

Çağın gelişmelerinin dışında kalmayan Türkiye de, Nanoteknoloji Stratejisi çerçevesinde, “Vizyon 2023” hedefleri doğrultusunda nanoteknolojiyi sadece tüketen değil, stratejik bir güç olarak bizzat üreten bir konuma geçme stratejisinin önemli bir bileşeni olarak tanımlar. Bilkent gibi üniversiteler ve Sabancı SUNUM gibi merkezler artık sadece laboratuvar değil, yüksek teknolojiye geçişin lokomotifi olan birer “inovasyon ekosistemi” olarak çalışmaktadırlar ve bu sayı her geçen yıl artmaktadır.

 

FGM Fonksiyonel Derecelendirilmiş Malzemeler Malzeme yapısının ve özelliklerinin hacim boyunca belli bir amaca yönelik olarak kademeli bir şekilde değiştiği mühendislik malzemeleri olup Seramik-Metal, Seramik-Seramik, Metal-Metal gibi kombinasyonlar olarak savunma, havacılık, enerji ve biyomedikal alanlarda kullanılırlar.

 

Geleneksel kaplamaların en zayıf halkası olan Isıl Genleşme Katsayısı (CTE) uyumsuzluğu, kaplamanın aksine, FGM, astar ile çelik ceket arasındaki çatlama ve delaminasyonun başlıca nedeni olan keskin CTE uyumsuzluğunu ortadan kaldırır. Bu nedenle Nanokarbon. iç kaplamada yüksek sertlik, termal stabilite ve geleneksel krom kaplamaya kıyasla üstün aşınma/erozyon direnci sağlamak için kullanılır. Avient Cooperation Çelik namlu ile karbon fiber dış kaplama arasında özel nano-güçlendirilmiş seramik orta katman kullanır bu özel seramik tabaka, düşük termal atalet için tasarlanmıştır ve ısının, genellikle yalıtkan olarak işlev gören geleneksel karbon kaplamadan kolaylıkla uzaklaştırılarak namlunun soğumasını sağlar.

Elmas Matrisli Karbon ile Soğuk Namludan Termal Zırha

İlk atış isabeti için kritik olan bu “Cold Bore” (Soğuk Namlu) Performansının sağlamasında, CNT (Karbon Nanotüp) ve Grafen ısıyı homojen dağıtarak ısının tek bir noktada birikmesini önler ve namlunun daha hızlı soğumasını sağlarken termal stabilite ile en üst seviye soğuk namlu performans değerine(0,5-0,75MOA) ulaşılır. Diğer taraftan namlu iç duvar sıcaklığındaki olası kontrolsüz artışlar, yiv-set geometrisinin bozulmasına ve “ısı dizilemesi” olarak bilinen isabet kaybına yol açabilir. Oysa geliştirilen 3mm kalınlığındaki nano-güçlendirilmiş Grafen/Bakır Nanokompozit dış cidar kaplamaları (cladding), ısı tahliyesi ile bu olumsuzluğu en alt düzeye indirir.Yukarıda vurgulandığı gibi Grafen/bakır nanokompozit kullanımı, namlu dış duvarındaki ısı transfer verimliliğini %48,9 oranında artığında 200 RPM atım hızındaki bir operasyonel testte, iç duvar sıcaklığında sağlanan 63,74K’lık düşüş, sistemin termal doyuma ulaşma süresini de uzatmıştır.

 

 

Bu termal düşüşün sahadaki karşılığı, sistemin kritik sıcaklık eşiğine ulaşmadan önce elde ettiği 13 ek mermi kapasitesidir. Bir Yakın Savunma Silah Sistemi (CIWS) senaryosunda, bu ekstra 13 mermi, bir seyir füzesinin imhası ile gemi gövdesine isabet alması arasındaki o kritik farkı belirleyen “suppression fire” (baskılama ateşi) süresini sağlar.

 

Alümina ve Yaralarını Kendi Saran Silahlar

Savunma sanayiinde geleneksel yöntemlerin en büyük çıkmazı, yukarıda belirtildiği gibi aşırı stres altındaki metallerin deyim yerindeyse “dökülme ve çatlama” (spalling) yoluyla

 

pes etmesidir. Nanoteknoloji burada devreye girerek “kendi kendini iyileştiren” (self-healing) akıllı sistemleri ve kompozitleri hayatımıza sokuyor.

 

Bu kapsamda en başarılarından olanAl-Al2O3 (Alüminyum-Alümina) nano-kompozitleri, hasarı kabullenmek yerine ona karşı aktif bir savunma kalkanı gibi yanıt verir. Bu sistemde plazma biriktirme yöntemiyle elde edilen 2-3 mikron kalınlığındaki mikro-ince yapı, üretim toleranslarını milimetrik düzeyde korurken, metal gözeneklerini atomik seviyede doldurarak sürtünmesiz bir bariyer oluşturmaktadır.

Bu gelişmeyi sadece namlu kaplaması olarak değil; gelecekte aşınmayan otomobil motorlarından çatlamayan uçak kanatlarına kadar uzanacak “dayanıklılık değişiminin” ilk habercisi olarak görmek gerekir. Al·Al₂O₃ tabanlı nano-kompozitlerin sergilediği “kendi kendini iyileştirme” (self-healing) davranışı, namlunun mekanik ömrünü konvansiyonel sistemlere göre 10 katına kadar çıkarabilmektedir.

 

Nano Seramikler ve Raylı Toplarda “Yıpranma Üçgeni” ile Mücadele

Namlu teknolojileri, geleneksel çelik alaşımlarının ve konvansiyonel metalurjinin fiziksel sınırlarına dayanmış durumdadır.

Özellikle 40mm gibi yüksek atım hızına (cadence) sahip orta kalibreli sistemlerde, ekstrem termal yorulma çevrimleri ve mekanik stres, operasyonel başarının önündeki en büyük engeldir

Çağdaş Savunma platformları, asimetrik üstünlük stratejisini tam da bu noktada; konvansiyonel yöntemlerin iflas ettiği termal ve aşınma limitlerinde, nano-seramik alaşımlar ve Fonksiyonel Dereceli Malzemeler (FGM) üzerine bina etmektedir.

Şuan ülkemizde de çalışmaları devam eden manyetik raylı toplarında (EMT-Railgun), sistemi saniyeler içinde çökertmeye çalışan bir “Yıpranma Üçgeni” vardır. Bu üçgenin aktörleri yukarıda gösterildiği gibi birbirini besleyerek bir felakete yol açabilir. Birikme (Deposition) arkı tetikler, Ark Oluşumu (Arcing) ise Oyulmayı (Gouging) hızlandırarak metali saniyeler içinde eritir. Buna karşılık Nanoteknoloji bu yıkıcı döngüyü, geleneksel metallerin yaklaşık 600°C olan sınırını 1600°C üzerine taşıyarak kırar. Aşağıda belirtilen Nano-seramik alaşımlar ise moleküler seviyede sağlanan metalurjik bağ ile bu fiziksel limitleri yeniden tanımlamaktadır.

Yüksek kalibreli veya hızlı ateşli silahlarda, namlunun “boğazı” genellikle sıcak gazlardan aşınır. Oysa Nano-seramikler son derece düşük sıcak iletkenliğe sahiptir ve Nano-seramik alaşımlar, 2.500C’ın üzerindeki sıcaklıklara dayanabilmektedir. Seramik-alaşımlı astar, namlunun yapısal çeliğini daha uzun süre daha soğuk tutar ve “ısı dizilemesini” (namlu ısındıkça isabet kaybını) önler.

Titanyum ile daha Hafif Sistemler

Savunma ve havacılıkta her gram, operasyonel bir maliyet veya taktiksel bir kısıttır. Nanoteknoloji, “Ağır sistemlerde ısı yönetimi, hafif sistemlerde ise çeviklik” dengesini kökten değiştiriyor. Titanyum gövde üzerine moleküler düzeyde entegre edilen TiCN (Titanyum Karbonitrit) astar kullanımı, sistemleri geleneksel muadillerine göre radikal bir şekilde hafifletmekte bu oran 40% kadar, hafif silahlarda ise namlu 200–500-gram kadar hafifleyebilmektedir.

 

DLC ile Çelikten sert namlular

Geleneksel krom kaplama, yüksek ısı altında alt tabaka matrisinin “soyulması” ve “yumuşaması” nedeniyle başarısız olur. Bu sorunu çözmek için Seramikten metale sorunsuz bir geçiş olan Fonksiyonel Dereceli Malzemeler (FGM) ile Seramik açısından zengin iç katmanlar, çatlamadan daha yüksek sıcaklıklara dayandığı için tercih edilirler. Ayrıca Nanotüpler ve Nanolifler (BNNTs/BNNF), Azotlu bor nanotüpleri/nanofiberler, itici yakıt yanma hızlarını artırmak ve erozyonu azaltmak amacına hizmet eder. Bergara avcı tüfeklerinin namlularında Karbon fiber matrisi içinde ısı ileten paslanmaz çelik tellerin bulunduğu özel bir dokuma ile ısı dağılımını ile hafiflik, yüksek namlu sertliği ve mükemmel bir ısı yönetimi sağlanabilmektedir. Bu sayede mevcutlara göre atış sonrası yaklaşık 10°C°C daha düşük namlu sıcaklığı sağlanır. Mermi ve namlu arasındaki sürtünme sadece bir aşınma faktörü değil, aynı zamanda istenmeyen bir ikincil ısı kaynağıdır ki Tribolojik Performans sağlarken sürtünmeyide enaza indirir.

DLC (Diamond-Like Carbon) Elmas Matrisli Karbon ise sürtünmeyi minimize ederek yüzeyde bir nevi “termal zırh” oluşturur ki bu ayni zamanda soğuk vuruş performansına da doğrudan etki eder. Yüzey sertliğinin 80 HRC’nin üzerinde olduğu bu sistemlerde Standard çeliğin ulaşabildiği sertliğin 65+HRC olduğu düşünüldüğünde bu seviye ve işlem, yiv-set profilinin balistik ömrünü çarpan etkisiyle uzatarak mermi çıkış enerjisi kaybını sıfıra yakınsamaktadır. Bu özellik ayni zamanda silahlarda silah yağı kullanımını ortadan kaldırdığı gibi “kuru yağlama” ile namluya barut, toz kalıntılarının yapışmasına önlerken barut gazının aşındırıcı etkisine de direnç gösterir.

 

Rekabetçi Konumlandırma ve Stratejik Tedarik Ekosistemi

Savunma Sanayiinde varolan standart ve konvensiyonel teknolojilerinin yerine teknolojik derinliği olan, rakiplerin konvansiyonel ve limitli çözümlerine karşı belirgin bir avantaj sağlayabilecek Nano seramik vb teknolojilerin tercih edilemesinin doğru olduğunu değerlendirmekteyiz.

Dünyada olduğu gibi Nanoteknoloji, Türkiye’nin savunma sanayiinde “teknolojik bağımsızlık” vizyonunun ayrılmaz ve vazgeçilmez bir parçası olacak ve geleneksel üretim yöntemlerinin fiziksel sınırlarına ulaştığı bu yeni dönemde, atomik ölçekteki hakimiyet sahadaki üstünlüğü de belirleyecektir.

Yakın gelecekte; nanoteknoloji tabanlı yüksek katma değerli üretim kapasitesi ile Türkiye’yi Afro-Avrasya’nın tasarım ve üretim üssü konumuna geldiğini düşünmek hayal olmayacaktır. Bu nedenle; disiplinlerarası işbirliklerini kurumsallaştırmak, yerli sertifikasyon altyapısını tesis etmek ve nanoteknolojik inovasyonu milli savunma doktrinlerinin merkezine yerleştirildiğinde geleceğin savunma mimarisi, bugün nanoölçekte atılan stratejik adımlar üzerinde yükselecektir

Zira bu sadece bir tercih olarak değil NATO standartlarını yeniden tanımlamak ve modern savaş alanında kesintisiz ateş gücü sunmak için teknik bir zorunluluk olarak düşünülmelidir.

Ali Öner

Kimya Mühendisi-Kurucu

Öner Yönetim ve Teknoloji Danışmanlığı Ltd. Şti

Ps: Gizlilik derecesi olmayan açık kaynaklar kullanılarak hazırlanan bu yazı ve ilgili görseller Yazar ve A5 Defense Dergisinin yazılı izni olmadan kısmen ve tamamen başka hiçbir yerde kullanılamaz, yayınlanamaz.