İkinci modülümüz olan Elektriksel Güç Sistemi Modülü (Electrical Power System-EPS) nedir ne işe yarar görelim. Bu modül uyduda yer alan tüm elektronik ana ve alt sistemlerin ihtiyacı olan elektrik gücünü üretmektedir. Genel yapısı itibariyle bir denetim ünitesi, batarya sistemi ve güneş hücrelerinden oluşmaktadır. Bu bileşenlerden güneş hücreleri uydu yapısının dışında diğer denetim elemanları ve bataryalar ise uydu iskelet yapısının iç kısmında yer almaktadır.

Küp uyduların dış kısımlarında yer alan güneş hücrelerini incelediğinizde komple bir yüzü kaplayan tek bir panel yerine genellikle parçalı ve birden fazla birleşik paneller görürsünüz. Bunun başlıca sebeplerinden biri tek bir yüzdeki panelin bir şekilde hasar görmesi, elden çıkması, kullanılamaz hale gelmesi nedeniyle o panelden tümden elektrik elde ediniminin kaybedilmemesidir. Parçalı sistemler kullanılarak bu risk bir anlamda minimize edilmiş olur. Bazı deneysel çalışmalar dışında bu ikili hemen hemen tüm uydularda yer almaktadır.

Uyduda bir uçuş bilgisayarı ya da haberleşme modülü her ne kadar çok önemli işlev görüyor olsa da bu EPS modülleri de aynı derecede önemlidir. Nasıl ki an gelip elektrikler kesildiğinde evinizde bulunan bütün elektrikli aletler susuyorsa, uydularda da durum farklı değildir. Bu nedenle en az bir uçuş bilgisayarı kadar önemli modül gibi demirbaş olarak öne çıkmaktadır.

Çalışma sistemi basitçe şöyledir. Güneş hücreleri güneşi gördüğü sürece fotovoltaik hücre yapılarından dolayı ışığı elektrik enerjisine çevirerek elektrik gücü üretmektedirler. Bu üretilen güç iç kısımda bulunan bataryaların şarjında kullanılmaktadır. Kontrol ünitesi bataryanın sürekli olarak doluluk oranını, ısısını ve şarj değerlerini kontrol etmektedir.

Bataryalarda depolanmış olan elektrik gücünün ne kadarının sistemde kullanılacağı, hangi seviyeye düştüğünde şarjın devreye gireceğini, şarj esnasında tüm sistemin mi besleneceği yoksa belli bir takım alt sistemlerin mi besleneceği ya da hangi (+/-) kritik güç veyahut acil durum (emergency) seviyeye geldiğinde kendisini korumaya alacağı önceden planlanmış ve EPS ona göre dizayn edilip programlanmıştır.

ESP modül kartı üzerinde bulunan bileşenlerin bu anlatılanların yanında üstlendiği diğer görevler de bulunmaktadır. Nasıl ki bir içme suyu sistemi şehirlere temiz ve içilebilir su sağlamakla yükümlü ise EPS de aynı şekilde elektrikle beslenen tüm sistemlere ihtiyacı olan elektrik gücünü temiz (elektriksel filtrelenmiş) ve regüle edilmiş stabil (3.3V, 5V, 7,5V) olarak üretmek ve iletmekle yükümlüdür.

Tüm uyduda aynı birim değerde mi güç kullanılır?

Gerekli olan (üretilmesi gereken) güç nasıl hesaplanır?

Nasıl ki bir şirket harcama yapmadan, yeni yatırımlara kalkışmadan, yeni bir malzeme almadan önce finansal bir bütçe hesabı çıkarıyor ve ona göre bu planları işleme koyuyorsa, uydunun elektriksel gücü için de “Güç Bütçesi” adı verilen bir bütçe hazırlanmaktadır.

Güç bütçesinin hazırlanabilmesi için öncelikle ne kadar bir güce ihtiyacımız olduğu (gider) net olarak belirlenmekte, daha sonra ona göre üretim (gelir) planlanmaktadır. Evinizdeki odalardaki yanan lambaların sayısı arttıkça elektrik sayacınızdaki değerin de artması gibi, uydu elemanlarının üstlendiği görevlere göre değişik güç ihtiyacı tüketimi de arttırmaktadır. Bu hesaplamalar sadece tek bir değere göre yapılması halinde ciddi sorunlar ortaya çıkacaktır. Örneğin: Bir vericinin suskun halde iken tükettiği birim zaman başına düşen tüketimi ile veri göndermeye başladığı anki tüketimi farklıdır.

Bu kadar bariz hata olmaz ama basit örneklerle üzerinde devam edersek; diyelim ki yanlış planladınız ve vericiniz suskun iken tükettiği (1) birim elektrik gücünü esas aldınız ve uydunuzu uzaya yolladınız. Buraya kadar her şey normal. Ancak uydunun verici sistemi devreye girdiği anda (5) birim güç çekmeye kalkması durumunda bütün güç sisteminiz de anlık veya sürekli olarak çöktü demektir. Bunların yaşanmaması için ise uzmanlar kullanılan her sistemin minimum – ortalama ve maksimum güç tüketimlerini, ani güç harcamada tepe noktaları gibi birçok değeri göz önüne alarak güç bütçesini ortaya çıkarmaktadırlar. Diğer yandan ana sistemin aşırı yükten ve veya kısa devreden korunması, istenmeyen elektrik deşarjlarına sebep olabilecek etkilerin bertaraf edilmesi için gereken tedbirlerin alınması da bu modülün görevidir.

Peki EPS’nin görevleri bu kadar mı?

Bu sorunun da cevabı hayır. Çok çalışan bu kritik elemanımız tüm bu grevlerinin yanında sürekli olarak batarya ısısını da kontrol etmek ve (özel yalıtım yok ise) donanımla ısıtmakla da vazifelendirilmiştir. Batarya ya da pillerin aşırı soğuğa maruz kalması da güç bütçesini etkileyen bir durumdur.

Üretilen elektrik gücü uydunun faydalı ömrü boyunca aynı mı kalır?

Hayır. Elektrik gücünün stabil bir şekilde ya da uzun süre aynı oranda üretilmesi ne yazık ki bazı nedenlerden dolayı mümkün olamamaktadır. Örneğin; uydu yörüngede iken kendi etrafında dönüş yaptığından aynı anda yüzeydeki tüm paneller gün ışığına maruz kalamamaktadır. Diğer yandan güneş hücrelerinden elde edilen verim %100 değildir. Örneğin Triple-junction GaAs tip güneş hücrelerinde %26 verimliliktedir.

Uzaydaki yolculuk esnasında malzeme yapısında uzay havasından kaynaklı değişimlerle bu oran git gide azalmaktadır. Alçak Dünya Yörüngesi adını verdiğimiz LEO yörüngede seyir halindeki bir uydu, ortalama olarak yaşam ömrü (7-15) yıl arasında değişmektedir. Bu sürede bataryalar binlerce kez dolup-boşalacağı için ayrıca bir sorun ortaya çıkmakta ve belli bir süre sonra bataryalar elden çıkmaktadır. Sanırız bu konuya cep telefonlarınızın ya da yaklaşık (2) yılda elden çıkan dizüstü bilgisayar, tablet vb. bataryalarından aşina olmalısınız.

Bataryaların elden çıkmış olması her şeyin sonu mu?

Günümüzde bir yandan batarya teknolojisi gelişirken, diğer yandan da farklı ve/veya alternatif teknolojiler geliştirilmektedir. Bunlardan bir de sürekli tekrar eden şarj-deşarj konusundan etkilenmeyecek olan yüksek kapasiteli kapasitörlerdir.

İkinci bir husus ise böyle bir olay meydana geldiğinde (sistem en başından) doğru yapılandırılmış ise batarya sisteminin “by-pass” edilerek (atlanarak) haberleşme sisteminin doğrudan güneş hücreleri ile beslenmesidir. Bu haliyle uydu haberleşme sistemini kullanarak kendi tanıtımını ve basit telemetre bilgilerini Dünya’ya yollaması mümkündür.

Halen bu şekilde çalışan pek çok uydu mevcut olup yeni uydularda da gerektiğinde bu şekilde faydalı ömrün sonuna kadar çalışması planlanan uydular da bulunmaktadır. Uydunuz belki tüm fonksiyonlarını yerine getiremiyor olabilir ancak en azından “ben buradayım ve yaşıyorum” diyecek kadar dayanacaktır.

Bu şekilde doğrudan güneş panellerinin ürettiği gücün kullanılmasında şöyle bir sorun ortaya çıkmaktadır. Güneş hücreleri Güneş’i görebildiği sürece çalışmakta, Dünya’nın etrafında dolanırken Dünya’nın gölgeli kısmından geçerken haberleşmesi tamamen durmaktadır. Bunu gözünüzde tıpkı Ay tutulması gibi de canlandırabilirsiniz.

Alçak Dünya Yörüngesinde (LEO) olan uydunuz yaklaşık olarak (650-850) Km yükseklikte ve 1,5 saatte (90 dakika) bir Dünyayı turlamaktadır. Bu durumda süreyi ikiye böldüğümüzü düşünürsek kabaca ve teorik olarak (90) dakikanın (45) dakikasında suskun kalacaktır.

[Not:Burada verilen süre hesabı tamamen örnektir. Uydu yüksekliği ve yörüngede dönüş hızı, Güneşin Dünyaya oranla hacmi ile ikisinin birbirini ışınsal gölgelemesi baz alındığında süreler matematiksel farklılık arz eder ki bu tutum yaklaşık 650 km. yükseklikteki yörünge süresinin %33’üne yakındır. Ayrıca uyduların da Güneş tutulmasından bu anlamda doğrudan etkilenen unsurlar olduğu unutulmamalıdır.]

Yazının uzunluğundan da anlaşılacağı üzere EPS modülü kritik öneme haizdir. Öyle kiuçuş bilgisayarından bile önceliklidir demek yanlış bir ifade olmaz. Uzay yolculuğuna çıkmadan önce bataryalar son kez tam anlamıyla şarj edilir. Uydu fırlatıcı rokete yerleştirilirken üzerinde bulunan bir pin çıkarılır ve bu andan itibaren elektrik gücü aktif hale gelir. Remove Before Flight (RBF) pini denilen “Uçuştan Önce Çıkar” pini bir nevi ana şalter görevini üstlenmiştir. Bu pinin çıkarılması ile uçuş bilgisayarı da bir nevi yarı baygın (stand-by) halde çalışmaya başlar. EPS gerekli gördüğü durumlarda elektrik sistemini yeniden (restart) başlatabilir.

Telemetre (TLM) verileri

Uydudan Dünya’daki yer istasyonlarına gönderilen veriler (telemetre) arasında EPS verileri de yer almaktadır. Bunlar genellikle güneş hücrelerinin hücre başına ürettiği voltaj, akım, sıcaklık, genel batarya voltajı ile akım, batarya sıcaklığı, ısıtıcı durumu ve ana elektrik yollarının voltaj/akım değerleridir.

Model uydunun EPS modülünde hangi voltaj değerleri kullanılacak?

Şu an için ana iletim (BUS) yapısını destekleyecek olan 3.3 ve 5V regüleli çıkış değerlerinin kullanılması planlanmıştır.