Çoğu zaman fark etmesek de uzaydaki kameralarla çekilen görüntüler hepimizin hayatına girmiş durumda. Hava durumu hakkında bilgi veren sunucunun arkasında bulutların hareketini hızlandırılmış olarak görüyoruz. Tatilimizi planlarken Google Earth gibi servislerden Dünya’nın fotoğraflarına bakıp kendimize yer beğeniyoruz. Avustralya’da yanan ormanların uzaydan görüntüsünü seyrediyoruz. Birçok araştırma, üretim ve planlama faaliyeti uzaydan elde edilen görüntülerden faydalanıyor. Örneğin, ormancılar orman işletmesini planlarken, tarımcılar tarlalarını en verimli şekilde işletip hasat tahmini yapıyor, belediyeler ayrıntılı haritalar üzerinde şehirlerin geleceğini planlıyor, bilim insanları iklim değişikliğinin etkilerini inceliyor. Buna benzer sayısız başka işte uzay görüntülerinden yararlanılıyor [1].
Peki, bu noktaya nereden ve nasıl geldik? Uzaydan çekilen fotoğraflar hayatımıza nasıl girdi?
Uzaydan ilk görüntüler
Fotoğraf makinesinin icadından sonra insanoğlunun Dünya’yı “yukarıdan” görüntüleme isteği de başladı. Bu amaçla, balonlar, uçurtmalar ve hatta güvercinler dahil her yöntem denendi.
Daha sonra uçaklardan fotoğraf çekimi haritacılık, istihbarat gibi alanlarda yaygın kullanım alanları buldu. Kameraların uzaya, yani atmosferin dışına çıkması için ise 1946 yılını beklemek gerekiyordu. 24 Ekim 1946’da New Mexico’daki White Sands Roket Üssü’nden fırlatılan ve 105 km yüksekliğe ulaşan 13 numaralı V-12 roketinden çekilen fotoğraf dünyanın uzaydan çekilen ilk fotoğrafı oldu [2].
Dünyanın yörüngesinden ilk görüntüler
Uzay çağının 4 Ekim 1957’de Sputnik-1 uydusunun Sovyetler Birliği tarafından uzaya fırlatılmasıyla başladığı kabul edilir. Uyduların hayatımıza girmesiyle insanlar uzaydan fotoğraf çekme fikrinin cazibesine kapıldı. Özellikle, askeri amaçlarla başka bir ülkenin fotoğraflarını çekebilmek kritik önem kazandı. ABD bu amaçla 1956 yılında (Sputnik’in fırlatılmasından önce) Corona uydu programını başlatmıştı. Ancak, 28 Ocak 1959’da fırlatılan ilk uydu, Discoverer-1, henüz bir kamera taşımıyordu. Çok sayıda başarısızlıktan sonra, ilk defa 18 Ağustos 1960’ta fırlatılan Discoverer-14 ile yörüngeden görüntü alımı başarıldı.
İlk görüntüler gümüş nitrat tabanlı kimyasal film üzerine çekiliyordu. 610 mm odak uzaklığı olan bir teleskop ile (sayısal kameralar çıkmadan önce film kullanan gündelik fotoğraf makinelerinde 35-70 mm odak uzaklığı aralığı yaygındı) 70 mm’lik filme alınan fotoğraflar yeryüzünde yaklaşık 7,5 m çözünürlüğe karşılık geliyordu. Yani, bugünün sayısal görüntüleri cinsinden ifade edersek, bir piksel yerde 7,5 m x 7,5 m büyüklüğünde bir karenin parlaklığını ifade ediyordu. Discoverer-14’ün fırlatılmasından iki gün sonra roketleri ateşlenerek uydu yavaşlatıldı ve atmosfere girmesi sağlandı. Paraşütle alçalan film kutusu bir uçak ile havada yakalandı ve görüntüler elde edildi.
Sovyetler Birliği ise ilk resimlerini 26 Nisan 1962’de fırlatılan ve üç gün sonra Dünya’ya dönen Kosmos-4 (Zenit-2) uydusundan elde etti, çözünürlük 5 ile 7 metreydi. Sovyetlerin tasarımında kamera ve filmler 2,3 m çapındaki Zenit-2 isimli kapsülün içine yerleştirilmişti. Bu hava geçirmez korunaklı kapsül sayesinde kameranın tasarımı daha basitti.
Uzaydan Görüntüler Günlük Hayatta
Bu tarihten sonra, askeri, bilimsel, meteorolojik ve diğer amaçlara hizmet eden çok sayıda kamera üretildi. Bir taraftan kameraların çözünürlüğü arttırılarak daha net fotoğraflar alınmaya çalışıldı. Örnek olarak ticari görüntü satan firmaların çözünürlük artışı için Tablo’ya bakabiliriz.
Bugün, 30 cm çözünürlükte görüntüler ticari olarak satılıyorken 10 cm civarında askeri görüntüler alındığı düşünülüyor. Diğer taraftan, kameraların spektral çözünürlüğü artırıldı, yani ışık tayfının farklı kısımlarından veri alması sağlandı. İlk kameralar sadece grinin tonlarını içeren, siyah-beyaz görüntüler veriyorlardı. Sonra, insan gözünü taklit ederek renkli (yani kırmızı, yeşil ve mavi bantlarda) görüntüler veren kameralar yapıldı. Bunu üçten fazla “renk bandının” yer aldığı multispektral kameralar takip etti [3]. Bu kameralar insan gözünün göremediği kızılötesi ışığı veya tayfın başka alanlarını da kullanarak görüntülenen nesneler hakkında daha fazla bilgi edinmemizi sağladılar. İnsan gözüne aynı renk gözüken iki farklı cismin farklı algılanabilmesi bu sayede mümkün oldu. Multispektral kameraları ise spektroskopik analiz yapabilen, 270 banda kadar çıkan hiperspektral kameralar ve bunların sayısız çeşitlemesi takip etti. Hiperspektral kameralar ile bir yüzeyin çeşitli dalga boylarını nasıl yansıttığını gözlemleyerek, yüzeyin özellikleri hakkında derin analiz yapma olanağı ortaya çıktı.
Türkiye’nin uzaydaki gözleri ne durumda?
Ülkemiz, uzay teknolojilerinden yaygın olarak faydalanmaya TÜRKSAT serisi uyduların yurtdışında yaptırılması ile başladı ve TÜRKSAT-1B 1994’te uzaya gönderildi (TÜRKSAT-1A aynı yıl içinde uzaya fırlatma sırasında okyanusa düşmüştü). Kendi teknolojilerimizi geliştirme yönünde ilk güçlü adım şu andaki adı TÜBİTAK UZAY olan TÜBİTAK BİLTEN’in BİLSAT adlı projeyi başlatmasıyla oldu ve çoğu Birleşik Krallık’ta yapılan BİLSAT uydusu 2003 yılında fırlatıldı. Bu uyduyu çözünürlükleri giderek artan ve aşağıdaki tabloda özetlenen yerli uydu projeleri takip etti.
Uzayda çalışacak bir kamera tasarlamak neden daha zor?
Öncelikle, görüntüleme amaçlı uydular genellikle yeryüzünden 600 – 700 km yükseklikteki yörüngelere yerleştirilir. Aslında yörünge daha yakın olursa daha net görüntü elde edilebilir ama atmosfer sürtünmesi nedeniyle daha alçak uydular tercih edilmez. Bu mesafelerden yüksek çözünürlükte bir görüntü çekmek için hem çok büyük odak uzaklıkları gerekir, hem de keskin bir görüntü isteniyorsa, kırınım denen fiziksel bir olay nedeniyle büyük bir optik açıklık da gerekir, yani kameranın ağzının çok geniş olması gerekli olur. O yüzden, çözünürlük gereksinimi artıkça tasarım giderek zorlaşır. Bu bakımdan uzay kameralarını elimizde taşıdığımız fotoğraf makinelerinden çok, bir teleskop tasarımı gibi düşünmek gerekir.
Uzayda bulunan iyonlaştırıcı radyasyon, yüksek enerjili parçacıklar ve atomik oksijen de optik yüzeylerde kararma, CCD algılayıcıların zamanla duyarlılık kaybı gibi sıkıntılara neden olur. Havanın yokluğu ışığın kırılma indisinde küçük bir değişikliğe neden olduğu gibi, bazı malzemelerin kullanılmasını da engeller.
Ama vakumun en büyük etkisi sıcaklık ile ilgilidir. Hava olan yerde cisimler havayla temas ettiklerinden kolayca soğurlar. Oysa uzayda cisimler doğrudan gelen Güneş ışığının etkisiyle ısınır ve radyasyonla enerji yayarak soğurlar. Kameranın bir tarafı güneş nedeniyle çok ısınırken diğer tarafının hızla soğuması, yörüngenin bir kısmında ısınırken, diğer kısmında Dünya’nın gölgesine girip soğuması gibi etkiler optik yapı üzerinde büyük sıkıntılar yaratır. Özellikle yüksek çözünürlükte, aynaların veya destekleyici yapının üzerinde oluşan sıcaklık gradyanları (yani farklı bölgelerin farklı sıcaklıklarda olması) optik yüzeylerin mikron seviyesinde yer değiştirmesine sebep olur ki, bu bulanık görüntülere yol açabilir. Aynı soruna, kamera uzaya gönderilirken oluşan çok güçlü titreşimler de yol açabilir. Yeryüzünde mikron seviyesinde doğrulukla yerleştirilmiş olan yüzeyler titreşim nedeniyle yerlerinden oynayabilir. Titreşimden etkilenmeyecek bir yapı tasarlamak için egzotik malzemeler kullanmak ve yoğun test yapmak gerekli olabilir. Ayrıca, kamerada bir sorun olduğunda onarma olanağı olmadığı için harcanan tüm para ve emek boşa gidebilir.
Çok yüksek çözünürlükteki uydu fotoğrafları için bir başka sorun ise atmosferde oluşan çalkantıların ışığın yönünde ufak sapmalara yol açması. Bu nedenle, yaklaşık 10 cm’den daha küçük bir piksel çözünürlüğü atmosfer yüzünden elde edilemez. Çimlerin üstünde duran bir araba plakasını ancak yan yana dört adet beyaz piksel olarak görebiliriz. Yani, bazı sinema filmlerinde iddia edildiği gibi uydudan bir arabanın plakasını okumak temel teknoloji ile olanaksızdır. Bunu aşmak için uyarlamalı (adaptif) optik denen bir teknik var ve güncel bir araştırma konusu. Burada optik yüzeylerin mekanik olarak çok ince duyarlılıkta oynatılması yoluyla çözünürlüğün arttırılması söz konusu [6].
Atmosfer, sadece uzaydan Yer’e bakmayı değil Yer’den uzaya bakmayı da sınırladığı için Hubble uzay teleskobu geliştirildi ve Dünya yörüngesine yerleştirildi. Uzaydaki bir teleskop atmosferden etkilenmeden derin uzayı gözleyebilir. 1990’da uzaya gönderilen ana teleskobun birincil aynası 2,4 m çapında ve odak uzaklığı 57,6 m. Hubble, uzay kameralarının güçlüklerine de iyi bir örnek. İlk denemede birincil aynanın hatalı üretildiği anlaşılmıştı. Her ne kadar uydu kameraları tamir edilemiyor desek de, uzay mekiğiyle giden astronotlar Hubble’daki hatayı düzelttiler.
Teknoloji nereye gidiyor?
Şu anda, uzaydan gözlem alanında önemli bir geliştirme alanı cihazların minyatürleştirilmesi. Elektronik aygıtlar ve uydular giderek küçülüyor. Çünkü uydu ne kadar küçük onun tasarlanması, üretimi ve yörüngeye yerleştirilmesi de o kadar kolay. Bir litrelik küp uydular üniversite öğrencileri tarafından bile yapılabiliyor. [7] Fakat temel optik yasalarının kısıtları nedeniyle kameralar radikal şekilde küçülemiyor.
Yine de çok optimize edilmiş, oldukça küçük kameraları minyatür uydulara yerleştirip onlarca, hatta yüzlerce kamerayı uzaya fırlatmak ve böylece çok sık görüntü çekmek günümüzde “start-up” teknoloji firmaları arasında çok popüler. Uydu yörüngede dolaştığı için istediği yerin görüntüsünü çekemez ve o yerin üzerinden geçene kadar beklemek zorundadır. Dolayısıyla uydu sayısı artınca bekleme süresi de kısalır. Şekil 7’de Planet Labs firmasının ürettiği nano-uydular gösteriliyor. Bu uydular standart fotoğraflara ek olarak video da çekmeye başladılar.
Bir başka önemli araştırma alanı ise minyatür uydular üzerindeki kamera parçalarının uzayda otomatik olarak monte edilmesini veya katlanan teleskobun uzayda açılmasını sağlayan teknolojiler. Küçük uydularla taşınan parçalar, uzaydaki yerçekimsiz ortamda artık hacim kısıtı olmadığından büyük teleskoplara dönüşebiliyor. Örnek olarak üniversite seviyesinde gerçekleştirilen FalconSat-7 adlı küp uydu verilebilir. Bu küp uydunun ışığı kırarak odaklayan zarı, uydu fırlatıldıktan sonra Şekil 8’deki gibi uzayda açılarak özel bir kameranın birincil optik elemanını oluşturuyor.
Diğer yandan, multispektral ve hiperspektral kameraları daha yüksek spektral ve uzamsal (mekânsal) çözünürlüklerde tasarlayarak, çevre ile ilgili daha çok bilgi toplamaya yönelik de çok sayıda uzay projesi sürüyor. Elde edilen ve uzaydan sürekli indirilen verilerin işlenmesi ve bunlarda katma değer elde edilmesi de önemli araştırma alanlarından birisi. Yeryüzündeki süreçler hakkında hava ve uzay kameralarından faydalanarak bilgi edinme disiplini genel olarak uzaktan algılama adıyla biliniyor.
Uzay teknolojilerindeki bu ve benzeri gelişmeler Dünya’mızı giderek daha sık, daha net, daha ayrıntılı gözlememizi sağlıyor ve onu ve ona yaptıklarımızı daha iyi anlamamıza yardımcı oluyor. Belki, durumu daha iyi anlamamız, iklim ve ekosistemler üzerindeki baskımızı azaltmamıza da yardımcı olur ve çocuklarımıza daha güzel bir Dünya bırakabiliriz.
Uğur Murat Leloğlu
Orta Doğu Teknik Üniversitesi, ODTÜ Fen Bilimleri Enstitüsü, Jeodezi ve Coğrafi Bilgi Teknolojileri Enstitü Ana Bilim Dalı öğretim üyesi
Bu eser Creative Commons Atıf-GayriTicari 4.0 Uluslararası Lisansı ile lisanslanmıştır. İçerik kullanım koşulları için tıklayınız.
Kaynaklar/İleri okuma
[1] Lillesand , Thomas M., Chipman , Jonathan W., Kiefer, Ralph W., (2018) Uzaktan Algılama ve Görüntü Yorumlama, Palme Kitabevi.
[2] Reichhardt, T. (2006). The first photo from space. Air and Space Magazine, 24.
[3] Qian, S. E. (Ed.). (2015). Optical payloads for space missions. John Wiley & Sons.
[4] Türkiye uydularıyla ilgili haberler/ kaynaklar:
AA, Göktürk-2, https://www.aa.com.tr/tr/bilim-teknoloji/gokturk-2-uydusu-7-yasinda/1675751
AA, İMECE, https://www.aa.com.tr/tr/turkiye/milli-uydu-imecenin-son-montaji-yapildi-testleri-basliyor/1864557
RASAT, TRT Haber (2020). https://www.trthaber.com/haber/bilim-teknoloji/gozlem-uydusu-rasat-9-yildir-yorungede-509512.html
Wikipedia, Göktürk-2, https://tr.wikipedia.org/wiki/G%C3%B6kt%C3%BCrk-2
Wikipedia, RASAT, https://tr.wikipedia.org/wiki/RASAT
[5] Yerli Uyduların Optik Bileşenleri Artık Türkiye’de Üretilecek, Bilim ve Genç, (2018). https://bilimgenc.tubitak.gov.tr/makale/yerli-uydularin-optik-bilesenleri-artik-turkiyede-uretilecek
[6] Max, Claire E. (2020) Adaptive Optics: An Introduction. http://www.ucolick.org/~max.
[7] STM ThinkTech. (2019) Küçük Uydular ve Başarı Potansiyelleri https://thinktech.stm.com.tr/uploads/raporlar/pdf/222201917224520_stm_kucuk_uydular_ve_basari_potansiyelleri.pdf.
