Röportaj Serisi-45: Konuk = Prof.Dr.Erdal Çetkin (Isı Transferi)

“11 Soru 11 Cevap” röportaj serimin kırk beşinci konuğu; İzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü Mühendislik Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü Öğretim Üyesi  ve aynı zamanda Yatay Geçiş Koordinatörü Sayın Prof.Dr.Erdal Çetkin olacaktır.Yoğun akademik ve idari programına rağmen röportaj teklifimi nazikçe kabul ederek kıymetli zamanını ayırdığı için kendisine içten teşekkürlerimi sunuyorum.Mühendisliğin analitik temellerini doğanın akış felsefesiyle birleştiren Öğretim Üyesi Sayın Prof.Dr.Erdal Çetkin hocamızın tecrübelerinin, akademiyle ilgilenen tüm araştırmacılar için son derece ilham verici olacağına inanıyor; hocam, izninizle sorularıma geçiyorum.
Soru 1:Öncelikle nasılsınız? Bu alana özellikle ısı transferi, akışkanlar mekaniği yönelmenizdeki temel etkenler nelerdi? 
Cevap 1:Merhabalar, çok teşekkür ederim, umarım sizlerde iyisinizdir. Termo-akışkan alanına yönelmemin birkaç nedeni var. Fen bilimleri, doğanın çalışma şekli ve optimizasyon (Türkçe eniyileme) hep ilgimi çekmişti. Üniversitede bu alandaki dersler içerisinde ezberlemek yerine denklemleri sınav sırasında çıkarabilecek olmam da bir avantaj sağladı tabii ki çünkü sözel hafızamı çok kuvvetli görmüyorum. Aslında, içerisine girdikçe bu alanın hayatın ve doğanın anlaşılmasına katkı sağlaması sayesinde her şeyi daha net kavrayabiliyor olmak alanın içerisine de gitgide çekmektedir. Soru 2:Akciğer ağaçlarından nehir yataklarına kadar uzanan bu "en az dirençle en fazla akış" geometrisi, sizce fiziğin henüz adlandırılmamış evrimsel bir ana yasası mıdır?
Cevap 2:Evrimsel ana yasa diyebilir miyim emin değilim, ancak evrensel bir “montaj talimatı” gibi. Tasarımı olan canlı/cansız her şey bu yaklaşıma göre tasarlanmış diyebiliriz. Böyle söyleyince de insanın aklına doğal olarak şu soru geliyor; neden her şeyin tasarımı birebir aynı değil? Bir çok farklı tasarımın, sizin de bahsettiğiniz üzere; akciğerler, nehir yatakları, ağaçlar ve hatta sinir hücreleri/sinir ağları, yıldırımlar, nebulalar ve daha nice tasarım birbirine çok benzer. Ancak, farklılıklar illa ki var, mesela iki farklı ağaç bile birbirine eş tasarımda değil. Bu da aslında “en az dirençle en fazla akış” tanımına uyuyor; çünkü her ağacın karşı kaldığı direnç eşit değil ve en fazla akış için tasarım ne olmalı ki o ağaç hayatta kalabilirsin göre dinamik olarak kendini geliştirdiğini gözlemleyebiliriz.
Soru 3:Elektronik bileşenlerin küçülmesiyle doğan ısı yönetimi darboğazını düşündüğümüzde, odaklandığınız mikrokanallı soğutma sistemleri geleceğin işlemci mimarilerini nasıl değiştirecek?
Cevap 3:Belirli bir boyuta kadar mikrokanallı soğutma sistemlerin olumlu etkilerinin olacağını ancak elektronik devre elemanlarının küçülmeye devam etmesiyle mikrokanalların yanına ek önlemlerin alınması gerektiğini düşünmekteyim ve bu durumu “Yapısal Gelişim Teorisi ile Tasarım” adlı dersimizin içinde bir örnek olarak da vermekteyiz. Çünkü ısıl yönetim için ısı geçiş mekanizmasının birim boyut için ısı üretimi yani hesap yapma kabiliyeti değiştikçe değişmesi gerektiğini tartışıyoruz. Bu da nispeten daha yavaş bilgisayarlar için fanlı hava soğutmanın yetmesine karşılık, daha hızlı ve küçülen elektronik devreler ile sıvı soğutmaya doğru geçişin zorunlu olması gibi boyut azaldıkça iletimle ısı transferinin etkisinin de elzem olduğunu tartışıyoruz.
Soru 4:Hocam,yeşil hidrojen ve yakıt hücrelerinin ticarileşebilmesi için şu an mikro veya makro akış seviyesinde aşılması gereken en büyük mühendislik bariyeri nedir?
Cevap 4:Yeşil Hidrojen ve yakıt hücrelerinin ticarileşmesindeki sorunların akış karakteristiği ile ilgili olmadığını değerlendiriyorum. Burada sorun biraz daha maliyet, kullanım kolaylığı, servis ağı, güvenlik kaygıları (ki yeni kullanılmaya başlayan her teknoloji için insanların adaptasyonu sürecinde çekinmesi doğaldır) ve verim. Şu anda hem teknolojinin üretim maliyeti (çok yaygın olmaması nedeniyle) hem de Hidrojenin yakıt olarak maliyeti yüksek. Dünyanın en büyük Japon otomotiv firmalarından bir tanesi Amerika Birleşik Devletlerinde ticari olarak yakıt pilli araç satmakta. Ancak, Hidrojen istasyonlarının az olması, kullanım maliyetlerinin diğer araçlar ile aynı (veya biraz daha pahalı olması) ve kullanım menzillerinin içten yanmalı araçlara kıyasla düşük kalması gibi etmenler yaygınlaşmasını kısıtlamıştır. Regülasyonlar ile yayılımı elektrikli araçlar gibi artırılabilir. Ancak, Hidrojen çok yanıcı olduğu ve yüksek basınçta araçta depolandığı için, bu araçların güvenlik unsurlarının çok dikkatli kontrol edilmesi ve dolum tesislerinde çok daha fazla dikkat edilmesi de gerekir.
Soru 5:Mikroakışkan sistem tasarımlarınızda yapay zeka ve topoloji optimizasyonu gibi araçlar, geleneksel sayısal analiz yöntemlerini ne ölçüde dönüştürüyor?
Cevap 5:Aslında tasarım geliştirilmesi kapsamında bu teknolojiler, tabii ki günümüzde ki kadar yaygın ve gelişmiş olmasa da, son 20 yıldır belki de kullanılıyordu. Son yıllarda bu teknolojilerdeki gelişmeler sayesinde kullanımı daha da arttı. Sayısal analiz yöntemlere ek olarak tasarımsal parametrelerin nasıl olması gerektiğini araştırmaya yönelik modeller yanında sayısal analizler olmadan bazı akış karakteristiklerinden öğrenerek tahmin etmeye yönelik modeller de ortaya çıkmakta. Tabii ki şu anda sayısal analizlerde kullandığımız fiziksel denklemlere dayanan modeller kadar gerçekçi değerler verememekte. Daha çok yıllarca bu alanda çalışmış birisinin tasarımı görünce, akış şu şekilde olacaktır öngörüsü mertebesinde. Yani uzmanların zaten tahmin edebildiklerini uzman olmayan gözlere de sunma mertebesinde. Tabii ki uzmanlarda tasarım optimizasyonu için bu modelleri aktif olarak kullanıp, faydalanmakta.
Soru 6:Teknopark İzmir’deki girişiminiz AEOLUS ile laboratuvar çıktılarını sanayiye aktarırken karşılaştığınız en büyük "faz geçişi" zorluğu neydi?
Cevap 6:Maalesef bir çok zorluk oluyor. Üretim gerçekleştirmeye çalışan bir teknoloji firması olduğumuz için maliyetler, gümrük, fonların kısıtlılığı gibi bir çok unsurda zorluklar yaşadık. Maalesef sonunda girişimimizi kapatmamız da gerekti. Ancak, en büyük olanı bence (umarım yanlış gözlemlemişimdir) sektörel olarak geliştirme süreçlerine katkı sağlama konusunda bir çekince var. Daha çok bilinen bir firmadan satın alalım, sorun çıkarsa bana bir şey diyemezler gibi kişilerin kısa vadede kendine risk unsuru oluşturma ihtimali olan unsurlara karşı çekinceleri diyebilirim.
Soru 7:Bir bilim insanı olarak, ticari öncelikler ile saf akademik merak arasındaki dengeyi kendi kariyerinizde nasıl koruyorsunuz?
Cevap 7:Bu dengeyi sağlamak çok zor, genelde akademik tarafım daha ağır basıyor diyebilirim. Bildiklerimizin paylaşılması da akademik bir unsur olduğundan hem öğrencilerimizle hem de sektörde bulunan çalışanlarla bildiğimiz kadarını paylaşıyoruz. Öğrencilerime de devamlı olarak sevdikleri işleri yapmasını tavsiye eden biri olarak, sevdiğimiz ve merak ettiğimiz konulardaki çalışmalarımızdan hep daha olumlu sonuçlar elde ettiğimizi de söyleyebilirim. Ticari önceliklerin ve kişisel çıkarların genel anlamda kişilere ve topluma uzun vadede zararlı olabilme potansiyeli de gözden kaçırılmamalı tabii.
Soru 8:Dünyanın en etkili bilim insanları listesinde yer alan biri olarak, genç araştırmacılara yüksek atıf potansiyeline sahip, özgün bir çalışma konusu seçerken neye odaklanmalarını önerirsiniz?
Cevap 8:Estağfurullah, dediğim gibi sevdiğiniz ve merak ettiğiniz şeylere odaklanmak hep tavsiyem ve bunu da yapmaya çalışıyorum. Sorunların çözülmesi için işini severek ve doğru şekilde yapanlara ihtiyacımız var, herkes kendini bu şekilde düzeltirse bence sorun kalmayacaktır. Siz ne kadar başarabiliyorsunuz derseniz de elimizden geldiği kadar çabalıyoruz.
Soru 9:Mühendislik eğitiminde hazır yazılımları ezbere kullanmak yerine, öğrencilere "fiziksel sezgi" kazandırmak için nasıl bir pedagojik yöntem izliyorsunuz?
Cevap 9:Çok güzel bir noktaya işaret ettiniz. Maalesef ne olduğunu anlamadan her şeyi programlara ya da bazı modellere atıp çözüm almaya çalışmak büyük bir yanlış. Fiziksel olarak nedenleri açıklamak için derslerimde genelde fiziksel olaylarla tasarımların neden olduğuna dair örnekler veriyorum. Örneğin, penguenlerin ayaklarına giden damarların bir ısı değiştirgeci gibi olması ya da ısı-akışkan karakteristiği yanında mekanik dayanım gerektiren tasarımlar gibi. Problemi ve fiziksel olarak ihtiyaçları anlamadan geliştirmeye çalışmak, gözü kapalı olarak görmeye çalışmaktan daha gerçek dışı. Umarım olumlu katkımız olabiliyordur.
Soru 10:Kocaeli, Duke ve İYTE çizgisi size bilim insanı kimliği adına ne öğretti? Hayat mottonuzu termodinamik veya akışkanlar mekaniğinden bir kavramla özetleseydiniz bu ne olurdu?
Cevap 10:Farklı kültürleri ve bakış açıları edinmem için her bulunduğum okulun katkısı oldu. Tanıştığım ve dersini aldığım öğretim üyelerinin yanında aynı sıraları paylaştığım ya da ders verdiğim öğrencilerin farklı bakış açıları da farklı düşünmeme yardım etti diyebilirim. Maddi olanaksızlıklar nedeniyle yaşadığımız şehirde üniversite okumuş bir işçi emeklisi çocuğu olarak, İstanbul ya da Anadolu'nun bir şehrinden gelen memur/işçi çocuklarıyla da ABD`nin milyar dolarlık firmalarının CEO`larının çocuklarıyla da aynı sınıf ortamını paylaşıp, Anadolu Üniversitelerinden mezun hocaların yanında MIT gibi okullardan mezun hocalardan dersler almış oldum. Bu kimin ne düşündüğü ya da nasıl baktığı hakkında bir öngörü edinmemi sağladı ve aynı sonuca farklı yollardan nasıl ulaşabileceğini öğrendim diyebilirim. Farklı düşünmek ve sorgulamak ise bilim alanında önemli bir unsurdur diye düşünüyorum.
Soru 11: Makalelerinizde hacimsel ısı geçişini optimize eden karmaşık ağaçsı tasarımlara odaklanıyorsunuz. Teoride minimum termal direnç sağlayan bu mikro kanalların, günümüz mikro-imalat teknolojilerinin fiziksel toleranslarıyla karşılaştığı en büyük üretim kısıtı nedir?
Cevap 11:Tasarımlar çok karmaşık ve üretimi zor olduğu için maliyet ve üretim toleranslarının elde edilmesinde çeşitli zorluklar bulunmakta. Ancak, en iyi tasarım olmasa bile üretilebilecek ve zamana en uygun en iyi tasarımı bulmak da çalışmalarımızda önem verdiğimiz bir unsur. Bu nedenle sayısal çalışmalar yanında deneysel olarak benzer tasarımları üretip deneysel olarak da sonuçları elde etmeye çalışıyoruz.
Soru 12:Gözenekli ortamlarda  ısı transferi ve basınç düşümü üzerine çalışmalarınız var. Elektronik soğutmasında gözenekli yapıların sağladığı yüksek yüzey alanı avantajı ile pompalama gücünü artıran akış direnci dezavantajı arasındaki o kritik optimizasyon eşiğini nasıl yönetiyorsunuz? Cevap 12:Bu aslında ısı transferi artırımı konusunda genel yaşanılan sorundur. Isı transferi attırdığınız zaman bir yandan da akış direncini artırırsınız, Termodinamiğin 2. yasası aslında bize böyle olması gerektiğini gösteren bir unsur. Çünkü özetle hiç bir şeyin bedava olmadığı, karşılığında bir emek/bedel ödenmesi gerektiği bu yasa ile de aşikardır. Biz ise istenen ısı transferi geçişinin sağlanması için bunu sağlayacak en düşük direnci elde etmek için tasarımın geliştirilmesini ve akışa uyumlu hale gelmesini sağlıyoruz. Öncelikle tasarımın nasıl çalıştığını anlayıp, sonrasında her parametrenin/tasarımsal özelliğin ne gibi katkıları varsa ona göre değiştiriyoruz. Aslına bakarsanız vücudumuz da öyle çalışıyor. Nasıl yaşıyorsanız, örneğin hangi sporu yapıyorsanız, vücudunuz o spor için gerekli kas kütlesini geliştirip sizi destekleyecek kan dolanım sistemi ve solunum sistemi üzerinde geliştirmeler yapıyor ki en az dirençle vücudunuz yaşadınız duruma adapte olsun. Biz de tasarımları günün ve teknolojinin ihtiyaçlarına göre adapte etmeye çalışıyoruz. Soru 13:Adrian Bejan ile çalışmış bir bilim insanı olarak, doğadaki akış tasarımları ile Constructal Theory insan yapımı mühendislik sistemlerine tam olarak nasıl rehberlik ediyor? Cevap 13: Bejan hocamızın çok güzel bir tanımlaması vardı, onu paylaşmak isterim. Kendisi matematiksel olarak dolaşım sisteminde bulunan damarların uzunluk, genişlik ve birbirleri arasındaki tasarımsal özellikleri arasında bir problemi çözerdi ve bilim insanlarının yaptığı ölçümlere çok yakın olduğunu deneysel verilerden görebilirdik. Sonrasında ise aslında hiç dolaşım sistemi görmeden bile matematik biliniyorsa, en düşük akış direnci ile vücutta ki hücrelere kan iletmek için bir tasarımın optimize edilmesi gerektiğinde dolaşım sisteminin bulunması gerektiğini anlatırdı. Yani, görebileceğiz her şey olabilecek en iyi tasarıma sahip; dış şartlara, çalıştığı ve bulunduğu ortama, amacına göre tabii ki. Eğer, hiç görmediğiniz bir tasarımın amacını ve nerede ne yapacağını biliyorsanız aslında bu teori ile o tasarımı ortaya çıkarabilirsiniz. Bu ise mühendislik uygulamalarında bize tasarımların çok daha gelişmiş hale gelmesini ve amacına uygun tasarımların ortaya çıkmasını sağlıyor. Hatta komik bir örnek verecek olursam, Erasmus kapsamında bizi ziyaret eden bir İtalyan öğrencimiz, Alessandro, ile onun tezinde elektronik soğutma uygulamaları için yüksek iletimli ısı köprülerinin tasarımsal optimizasyonu üzerine çalıştık. Makalesine Journal of Applied Physics derginden de ulaşabilirsiniz. Çalışmalar bittiğinde farkettiğimiz şey ise şu oldu; optimize edilen ısı köprüleri aslında bitki kökü tasarımına sahip. Bitki kökleri nasıl suyu topraktan almak için yayılıyorsa, ısıyı çekmek için de ısı köprülerimiz aynı tasarımı sağlıyor. Makalede tasarımımızı benzer sınır şartları için deneysel olarak elde edilmiş bitki kökleri ile kıyasladık ayrıca. Bejan hocanın dediği gibi aslında bitki köküne bakmadık, tüm çalışmalar bittikten sonra biyoloji dergisinde yayınlanmış makaleyi gördük ve farkında olmadan aslında bitki kökü tasarımı üzerinde de çalışmış olduğumuzu anladık. Soru 14: Son dönem çalışmalarınızda elektrikli araç bataryalarının termal yönetimine eğiliyorsunuz. Bataryaların şarj/deşarj döngülerindeki zamana bağlı  ısıl yük değişimlerini, Constructal Teori'nin zamandan bağımsız geometrik optimizasyon ilkeleriyle formüle ederken nasıl bir matematiksel köprü kuruyorsunuz? Cevap 14: Sorunuz için teşekkür ederim. Aslında Constructal Teori ya da ME530 kodlu dersimde Türkçe isim gerektiği için verdiğim "Yapısal Gelişim Teorisi" aslında tasarımın zamana bağlı olduğunu ve devamlı değişmesi gerektiğini söylüyor. Maalesef tasarımlarda bunu yapamıyoruz, isteklerimize göre bataryanın çalışma durumu şartlarına uygun olarak tüm çalışma koşulunda en uygun olacak tasarımları ortaya çıkarmaya çalışıyoruz. Tabii ki tüm mühendislik sistemleri gibi bazı çalışma şartlarına daha uygun oluyor bu tasarımlar. Örneğin, bir arabanın en verimli çalıştığı devir belirli bir oranda kısıtlıyken bu devir oranında devamlı olarak aracı çalıştıramadığımız gibi. İnsan vücudunun zamana ve şartlara bağlı olarak değişip anlık olarak tasarımsal optimizasyonu aslında Constructal Teori`nin zamana bağlı olarak tasarımın değişmesi gerektiği unsuru ile daha uyumlu. Mühendislik uygulamalarına geçiş için birkaç düşüncem var ama zamanla olabilecek mi göreceğiz.    Hocam, değerli vaktinizi ayırdığınız ve sorularıma anlamlı cevaplar vererek gösterdiğiniz ilgi için çok teşekkür ederim. Çalışmalarınızı anladığım kadarıyla büyük bir takdirle takip edeceğim. Sağlık, mutluluk ve başarı dolu bir yaşam diliyor, işlerinizde kolaylıklar temenni ediyor, saygı ve sevgilerimi sunuyorum.