Araştırmacılar, roketlerin atmosfere girişte korunmaları için geliştirilen bir tekniği kullanarak, malzemeyi keserken soğutan lazer bazlı bir kesme tekniği geliştirdiler. Araştırma, Nature dergisinde yayınlandı.
Lazerler icadından bu yana, tıpkı sıcak bir bıçağın tereyağını kesmesi gibi, her türlü malzemeyi cerrahi bir hassasiyetle kesebilecek mükemmel bir kesici olarak idealize edilmiştir. Ne yazık ki bu ideal tam olarak gerçekleştirilememiştir. Her ne kadar yüksek güçlü lazerler kullanılarak kalın çelik blokları kesilebiliyor olsa da kesme işlemi hem çok yavaş olmakta hem de tüm bloğu aşırı derecede ısıtmaktadır. Aynı işlemin canlı dokular gibi hassas malzemelerde denenmesi ise malzemenin çatlamasına veya yanmasına sebep olmaktadır. Popüler, malzemeye zarar vermeden onu işleyen lazerler imajına en yakın sistemler ultrahızlı atımlar olarak bilinen ve lazer ışımasının inanılmaz hızlı şekilde açılıp kapanması ile oluşan sistemlerdir. Fakat bu metot da son derece yavaştır. Basit bir şekilde lazer gücünü artırarak bunun üstesinden gelinemez çünkü sonuçta bu da malzemeye zarar verir. Diğer taraftan yüksek enerjili atımlar elde ederek sonuca ulaşmak karmaşık yapılı ve rutin olarak kullanılan lazerlere oranla oldukça pahalı lazerler kullanmayı gerektirir.
Şimdi, Bilkent Üniversitesinden bir grup araştırmacı Nature dergisinde yayınlanan makalelerine göre “ablasyon ile soğutma” diye adlandırdıkları bir teknik geliştirdiler ve doku dahil bir çok malzemeyi çok hızlı bir şekilde ve herhangi bir zarar vermeden yüzeyden kaldırdıklarını gösterdiler. Bunun yanında teknik, lazer ile elde edilen atımların enerji gereksinimlerinin 1000 kata kadar düşürülmesini sağlamış olup lazer teknolojisini dramatik şeklide basitleştirmiştir. Fikir, malzemeye ısının yayılmasına izin vermeden çok hızlı bir şekilde ultrahızlı atımlar gönderilmesine dayanmaktadır. Tekniğin mucidi, Elektronik ve Fizik Bölümlerinden
Doç. Dr. F. Ömer İlday fikrin arka planını şu şekilde açıklıyor: “Geleneksel lazer ile malzeme kaldırma (ablasyon) tekniklerinden şu ana kadar randıman alınamadı çünkü her lazer atımı malzeme ile, diğer atımlardan bağımsız olarak etkileşir. Bunun anlamı birbirini takip eden atımlar arasında malzeme tamamen soğur, ısı dağılmaya başlar ve işlenen bölgenin etrafını ısıtır ki bu alanın soğuk kalması gereklidir. Bir sonra gelen atımla birlikte henüz hedef bölgeden malzeme kaldırılmadan, bölge tekrar ısınır. Bu ısınma-soğuma döngüleri hem değerli lazer enerjisinin önemli bir kısmını boşa harcamakta hem de işlenmesi hedeflenen bölgenin daha da ısınmasına katkı sağlamaktadır. Anahtar fikir şu; her bir atımdan geriye kalan kullanılmamış ısı henüz etrafa yayılmadan bir sonraki atım gelirse, bu ısının yeni gelen atım tarafından bir şekilde geri dönüştürülüp kullanılabilir. Böylece, her bir atım, bir sonraki atım için ortamı hazırlayarak malzeme kaldırma işlemi son derece etkili bir şekilde tamamlanabilir. Daha da önemlisi, her bir atım, bir önceki atımdan kalan sıcak malzemeyi yüzeyden kaldırıp alacağı için geride ısıyı yayacak kaynak kalmamış olmakta ve hedef alan civarı soğuk kalmaktadır. Hatta malzeme kaldırma oranı ciddi oranda artırılsa bile bir ısınma söz konusu değildir”.
Kaldırılan malzeme ile birlikte birikmiş ısının atılması olayı anlaşıldığı üzere farklı bir alan için eski bir fikir: Ablasyon ile soğutma, atmosferden geri dönen her çeşit roket için bir termal koruma yöntemi olarak kullanılmakta. Roketlerde bu mekanizma, roketin ön kısmına kaplanan sarf edilebilir koruyucu bir kaplama üzerinden olur ve atmosfere girişte bir kalkan gibi ısıyı da yanında götürerek yüzeyden kalkar ve roketi korur. Tıpkı yazarların makalelerinde yazdıkları gibi, “Ablasyon malzeme ısısının belli bir kritik değeri aştığında malzemenin buharlaşarak kaldırılmasıdır. Çünkü buharlaşan malzeme fiziksel olarak taşınır, kaldırılan kütle ile birlikte taşınan termal enerji de gönderilir, bu sayede geride kalan malzemenin ortalama ısısını düşürür.” Bu senaryo ilginç bir şekilde hem roketlerde hem de lazer ile malzeme kaldırma işlemlerinde aynıdır. Dr. İlday bunu Larry Niven’in “Ringworld” adlı bilim kurgu kitabında okumadan önce araştırmacıların hiç birisinin bu tarihçe hakkında bilgisi yoktu. Daha enteresanı ise roket bilimi versiyonunda da ablasyon ile soğutma fikri E.E. ‘Doc’ Smith’in 1934’de yayınlanan “Triplanetary” adlı bilim kurgu kitabından esinlenilmişti. Diğer bir deyişle, ablasyon ile soğutma iki kez bilim kurgudan gerçek bilime uyarlanmış oldu; önce 1950’lerde roket bilimi ile ve şimdi de lazer teknolojisi ile.
Fakat araştırmacılar için bu fikirlerini hayata geçirmek çok kolay olmadı çünkü fikrin oluştuğu zamanlarda henüz gerekli lazer teknolojisi geliştirilmemişti. Sorun, tekrar hızı denilen lazerin ürettiği atımların frekansıydı. Tipik lazerler ile yüzeyden malzeme kaldırmak için saniyede binlerce atım yapan tekrar hıza sahip milyonlarca enerjik atımın üretilmesi gerekliydi. Ancak, Dr. İlday’ın saniyede milyarlarca enerjik atıma ihtiyacı vardı. Bu teknolojik ve çözülmesi zor bir problemdi: Bu tip yüksek tekrar hızlarının ve yüksek enerjilerin birleşimi haddinden fazla yüksek güç gerektiriyordu. Farklı bir bakış açısı gerekliydi ve Dr. Hamit Kalaycıoğlu bunu gerçekleştirdi: 1990’larda Kanada’nın Toronto Üniversitesinde görevli Dr. Marjoribanks’ın geliştirdiği “küme-modu” kavramını fiber lazerlere adapte etti. Araştırmacıların ablasyon ile soğutma fikrini kanıtlamaları için uygulamaya geçmeden önce bu yeni lazer teknolojisini geliştirmesi yaklaşık 5 yıl aldı. Bu çalışma öncesinde, ultrahızlı malzeme kaldırmak için kullanılan lazerler tipik olarak yüksek enerjilerde (100 mikrojül) ve düşük tekrar hızına (kHz mertebesinde) sahiptiler. Katı hal lazerleri bu enerjilere rahatlıkla ulaşabilirken bu durum fiber lazerler için çözümü çok zor bir problemdi ve bu problemin aşılması lazer teknolojisinin farklı bir alanı için de düşük maliyetli, sıkıştırılmış büyüklükte ve çok daha dayanıklı olması açısından enteresandır. Dr. Kalaycıoğlu çalışmalarının farklı bir paradigma olduğunu söylüyor: “Yıllarca, fiber lazerlerin atım enerjisi konusunda katı hal lazerlerini yakalayabilmesi için yoğun efor sarfedildi, fakat bizim çalışmamız gösterdi ki eğer tekrar hızları çoklu-GHz seviyesine çıkarılırsa, 1000 kat daha az enerjiler bile yeterli olabilir.”
Amerika’nın New York eyaleti Ithaca şehrindeki Cornell Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Samuel B. Eckert Profesörü Frank Wise “Lazer teknolojisi için uygulamaları oldukça sarsıcı” diyor ve “Ablasyon ile soğutma, yüksek enerjiler üretmek yerine çok hızlı atım üretmeye odaklayarak tamamen yeni bir lazer geliştirme alanı açıyor” diye ekliyor.
Lazer ile acısız diş tedavisinden insan vücudunun içinden doku atılmasına kadar en ümit verici uygulamalar medikal alanda olacaktır. Ultrahızlı lazerler ile ablasyon yönteminin diş hekimliği uygulamalarında mekanik kesici/delici uçlar veya geleneksel lazerler yerine kullanımı ile tüm ağrının bertaraf edebileceği uzun bir süredir tartışılmaktaydı: Mekanik bir etkileşim yoktu, hemen hemen hiç ısı veya basınç dalgaları da yoktu, bu nedenle ağrıyı ileten sinirler uyarılmayacaktı.
“Fakat bu uygulama alanı hiç gelişemedi, çünkü ultrahızlı ablasyon bu acı veren, hızlı ve güvenilir yöntemlere göre kabul edilemeyecek kadar yavaştı. Ablasyon soğutma yöntemi ile, halihazırda diş hekimliğinde kullanılan lazerlerle neredeyse aynı hızı yakaladık”, diyor makalenin yazarlarından olan Can Kerse. Hamit Kalaycıoğlu ekliyor, “Daha güçlü lazerler kurarak malzeme kaldırma oranımızı çok daha yüksek seviyelere çekebilmemizin önünde bir engel yok”. Ablasyon ile soğutma diş hekimliğinde bir devrim yaratabilir mi? “Açıkçası bu bir kaç yıl alabilir fakat kesinlikle bir potansiyel var”, diye ekliyor Ömer İlday.
Daha enteresanı, ablasyon ile soğutma yöntemi insan vücudunun içinden doku atılmasında kullanılabilirse çok tıbbi uygulama alanları açılabilir. Lazer ışığı dokunun derinliklerine etki edemiyor fakat ince tıbbi iğnelerin içine yerleştirilebilecek optik fiberler yardımı ile işlem göreceği bölgeye taşınabilir. Atım enerjisinin 1000 kat düşürülmesi lazer ışığının fiber ile taşımasını da oldukça kolaylaştırmaktadır. “Yerinde (in-situ) manyetik rezonans görüntüleme (MRI) kılavuzluğu altında yapılan lazer güdümlü ısı terapisinin ultrahızlı ve ısı üretmeyen versiyonu fevkalade uygulamalara olanak sağlayabilir”, diyor dünyaca tanınan MRI uzmanı, Ulusal Manyetik Rezonans Araştırma Merkezi Başkanı ve Bilkent Üniversitesi Elektronik Bölümünde görevli Prof. Dr. Ergin Atalar.
Bu ilerlemeler lazer-bazlı kesme, özellikle tıbbi cerrahide şekillendirme ve işleme gibi çok daha fazla sayıda pratik ve ekonomik kullanım senaryolarına yol açabilir. Faydanın çok daha kısa zamanda görülebileceği yerler, yarıiletken, güneş pilleri, cam gibi malzemeleri halihazırda lazer kullanarak işleyen çeşitli endüstri alanları olacaktır.
Bu çalışmada adı geçen diğer araştırmacılar Bilkent Üniversitesi’nden Can Kerse, Hamit Kalaycıoğlu, Parviz Elahi, Barbaros Çetin, Denizhan K. Kesim ve Önder Akçaalan; FiberLAST A.Ş.’den Seydi Yavaş; Hacettepe Üniversitesi’nden Mehmet D. Aşık; Aselsan A.Ş.’den Bülent Öktem; Menlo Systems Münih-Almanya’dan Heinar Hoogland ve Ronald Holzwarth’dır. Çalışma Nature dergisinin 13 Temmuz 2016 online sayısında yayınlanmıştır. Bu çalışma kısmen Avrupa Araştırma Konseyi (ERC) ERC-617521 NLL, Avrupa Birliği FP7 CROSS TRAP ve TÜBİTAK tarafından 112T980, 112T944 ve TEYDEB-3110216 numaralı projeler altında fonlanmıştır.