Mühendislik nedir? Mühendislik bilim ve matematiksel prensipleri, tecrübe, karar ve ortak fikirleri kullanarak insana faydalı ürünler ortaya koyma sanatıdır. Mühendisler, köprüler, tıbbi teçhizatlar, zehirli atıkları temizleme yolları ve toplu taşıma sistemleri tasarlar. Bir başka deyişle mühendislik, belirli bir ihtiyacı karşılamak için gerekli teknik ürün ve sistemi üretme sürecidir. Mühendislikte çeşitli seçenekler mevcuttur. Mesela araştırma, tasarım, analiz etme, geliştirme, test etme ve pazarlama gibi. Eğer yeni şeyler keşfetmeye ilgi duyuyorsanız, kariyer olarak araştırma mühendisliğini düşünebilirsiniz. Hayal gücü ve yaratıcılığa sahip iseniz, tasarım mühendisliği size daha uygundur. Analitik mühendislikteki çalışmalar çoğunlukla matematik ve fen derslerine benzer. Laboratuar çalışmalarını ve deney yapmayı seviyorsanız geliştirme mühendisliğini tercih edebilirsiniz. En önemli beş alan: Kimya, inşaat, elektrik, endüstri ve makine mühendislikleridir. Ayrıca başka branşlar da mevcuttur. Uzay, okyanus, nükleer, biyomedikal ve çevre mühendislikleri gibi. 14.10.2012 1
Kime mühendis denir, kimler mühendis olabilir, mühendisliğin belirgin özellikleri? a-bir mühendis içinde bulunduğu kuruma pozitif ivme kazandıran insandır. Örnek olarak, ayda 1000 soğutucu üreten bir kuruluş çatısı altına giren mühendis üretimi 1100 e 1200 e çıkartmayı hedef olarak benimseyip başarmalıdır. b-mühendis kendine güveni tam, cesur insan demektir. Kararsız ve zayıf karakterli insanlar iyi bir mühendislik eğitimi alsa bile uygulamada asla başarılı olamazlar. c- Mühendis demek, mühendisliğin sembolü olan cetvelden daha düzgün insan demektir. Asla yalan söyleyip demagoji yapmaz. d- Mühendisler sürekli olarak büyük yatırım projelerinde karar mercii olduklarından ulusal çıkarları daima her türlü çıkarın üstünde tutarlar. Sorumluluğu altındaki projelere ilgi duyan kurumların özel ilgi alakalarını şiddetle ret eder. e- Mühendisler riski severler ve risk ile birlikte yaşamayı bir yaşam biçimi olarak kabul ederler. Cephedeki bir asker gibi kendini, ulusunun yapmış olduğu teknolojik bağımsızlık savaşının bir cephe komutanı olarak görür. f-mühendisler kendi mesleklerini daima politik ve siyasi tartışmalardan uzak tutar. g-mühendisler yüksek ücret bile teklif edilse sabit bir ücrete bağlı kalıp çalışmaz. Ücretini çatısı altında çalıştığı kuruma sağladığı üretim artışından hakkı olarak, yani payını alır. h- Mühendisler makinelerden ziyade insanların sevk idaresinden sorumlu oldukları için insanlar ile iyi iletişim içinde olmalıdırlar. i-mühendis ulusuna ve topluma daha faydalı olabilmek için mevcut kurumlarda iş bulamaz ise kendi işini kendi kurmalıdır. Bu konuda kimseye yük olmamalıdır. 14.10.2012 2
Mühendislik Alanlarına Genel Bir Bakış - Uzay Roket Mühendisliği - Endüstri mühendisliği - Ziraat Mühendisliği - İmalat mühendisliği - Mimari mühendisliği - Makine mühendisliği - Bio/biomedikal mühendisliği - Metalürji ve malzeme mühendisliği - Seramik mühendisliği - Mineral ve maden mühendisliği - Kimya mühendisliği - Nükleer enerji mühendisliği - İnşaat mühendisliği - Denizcilik mühendisliği - Bilgisayar mühendisliği - Elektrik mühendisliği - Çevre mühendisliği - Ulaşım mühendisliği - İtfaiye mühendisliği 14.10.2012 3
Uzay roket mühendisliği Uzay ve roket mühendisleri ticari havacılık, milli güvenlik ve uzay araştırmaları yaparlar. 1990 yılında bu mühendisler "Hubble uzay teleskop"unun uzaya fırlatılmasına yardım ettiler. Bu roket belli bir yörüngeyi izleyip daha önce gördüğümüzün 10 kat daha uzağını görmemizi sağlıyordu. Ziraat mühendisliği Ziraat mühendisleri çiftlik işletir, gıda üretim cihazları geliştirir, korur, çiftlik hayvanları için barınaklar yapar, kurutma, sulama ve atıklardan kurtulma sistemleri geliştirirler. Bazen bu mühendisler özel laboratuarlarda çeşitli deneyler yaparlar. Mesela, kapalı alan çiftlik tekniklerinden "hidroponik" üzerine. "Hidroponik", bitkileri temiz su içinde yetiştirme bilim dalıdır. Mimari mühendisliği Mimari mühendislerin amacı binaların sağlamlığı, inşa metotları ve projelerinin takibidir. Örneğin, ABD'nin güneybatısında nüfusun artması ve yerin kumsal olması sebebiyle, mimari mühendisleri böyle bir yerde bina yapımının yeni yollarını araştırıp inceliyorlar. 14.10.2012 4
Bio/Biomedikal mühendislik Biomühendislik biyoloji ve mühendislik içerir. Bu mühendislerin bazıları biyoloji ve tıp doktorlarıyla beraber çalışarak tıbbi cihaz, suni organ ve prostetik cihazlar geliştirirler. Bazıları ise teknoloji ve insanları ilgilendiren problemleri araştırmaktadırlar. Mesela: Gün boyunca bilgisayar önünde çalışmak insan sağlığını nasıl etkiler? Seramik mühendisliği Seramik mühendisleri balçığı, ametal mineralleri veya asit silisit tuzlarını, uzay istasyonlarında kullanılan borular ve güneş enerjisini toplayan paneller gibi seramik ürünlerine çeviren işlemleri yönetirler. Kimya mühendisliği Kimya mühendisliği sıvı ve gazları işleyip kullanmayı içerir. Örneğin bazı kimya mühendisleri deniz suyunu tuzdan ayırıp içilir hale getirme yollarını araştırırlar. Kimya mühendislerinin çoğu petrol ve plastiğin birbirinden farklı ve bağımsız şeyler olmalarına rağmen ikisiyle de çalışırlar. 'Çevre Mühendisliği' kimya mühendisliğinin belli alanlarında uygulanır, mesela hava kirliliğinin kontrolünde. 14.10.2012 5
İnşaat Mühendisliği Binalar, köprüler, barajlar, yollar ve diğer yapılarla ilgilenir. İnşaat mühendisleri yüksek binalar, havalimanları, su işletme merkezleri ve sıhhi şartları geliştirme merkezleri planlayıp projelerini yaparlar ve yapımını yönetirler. Mesela, manyetik kaldırmayla hareket eden trenler için özel ray projesi sayesinde gelecekte çevreyi kirletmeyen ve çok verimli trenlerle saatte 200-300 km hızla sahilden sahile gidilebilecek. İnşaat mühendisleri hata yaptığında neler olabileceğine bir bakın! 'Tacoma Narrows' köprüsü yapıldıktan sadece 4 ay sonra 1940 yılının 7 Ekim'inde, saatte 42 mil hızındaki fırtına sırasında sarsılarak harap olmuştur. Bilgisayar/Yazılım mühendisliği Yapımı, planlamayı ve işletmeyi içeren bütün bilgisayar sistemleriyle ilgilenir. Bu mühendislerin bazıları ise rakamsal sistemler, işletim sistemleri, bilgisayar şebekeleri ve yazılım gibi alanlarda uzmanlaşırlar. Mesela köprüler yapılmadan önce onun her bir noktasını sağlamlık testinden geçirmek için simülasyon yazılım programlarını dizayn ederler. Elektrik mühendisleri Elektrik cihazları, sistemleri ve elektriğin kullanımıyla ilgili her şeyi kapsar. Elektrik mühendisleri enerji üreten merkezlerde, bilgisayar ve başka elektrik cihazları üzerinde çalışırlar. 14.10.2012 6
Çevre mühendisliği Su dağıtım sistemleri, kanalizasyon suyunu arıtma, su, hava ve toprakta kirliliği önleme ve kontrol etme konularında çalışmaktadırlar. Çevre mühendisleri sürekli olarak hava kirliliğini ve zehirli maddelerin çevreye verdikleri zararları azaltma yollarını ararlar. Yangın mühendisliği Yangın mühendisi yanmayı önlemek ve söndürmek için çeşitli sistem ve teçhizatların tasarımını yapar. Bu alanın mühendisleri binalardaki yangın güvenliği için de çalışır. Endüstri mühendisliği Bilgi, enerji, malzemeler ve makinelerin üretim sürecine sokulmasını düzenler. Bu mühendisler fabrika tasarımı ve yönetimi, kalite kontrolü ve insan kaynaklarıyla uğraşırlar. Yüksek teknoloji üreten şirketlerin yeni fabrikaları için en iyi yerleşim yerini tespit etmeye çalışırlar. 14.10.2012 7
İmalat mühendisliği Alet ve teçhizatların tasarımını yaparlar ve üretim kontrolünden makineleştirme ve otomasyona kadar tüm alanlarda bu alet ve teçhizatlarla çalışırlar. İmalat mühendisleri aşı üreten hassas aletleri de yaparlar. Bu uzmanlar imalat sistemlerini geliştirir ve pek çok endüstrileşmiş ülkenin birbiriyle rekabet halinde olmasını sağlar. Makine mühendisliği Mekanik ve enerji prensiplerini, motor ve lokomotif gibi makineler yapmak için kullanırlar. Bazı mühendisler havalandırma, soğutma, imalat, kaynak yapma ve robot gibi konularda çalışırlar. Bunlar engelli insanların yürümek için kullandıkları robotlu aletlerin tasarımını yaparlar. Metalürji ve malzeme mühendisliği Doğal malzemeleri daha iyi ve yeni malzemeye dönüştürmek üzere çıkarır, işler, temizler, toplar ve üretirler. Mesela, metalürji ve malzeme mühendisleri savaş uçaklarının radarlara görünmemesini sağlayacak teknolojiyi geliştirmiştir. 14.10.2012 8
Mineral ve maden mühendisliği Yeraltındaki mineralleri tespit eder, çıkarır. Maden mühendisleri maden ocakları bulur, yapımlarını denetler, çıkarılan madeni başka yerlere aktarma sistemini geliştirir ve maden çıkarımı bittikten sonra o alanı doğal haline getirirler. Nükleer enerji mühendisliği Nükleer enerjiyi ısıtma ve tıbbi amaçlar için kullanan fabrikaların tasarımını, geliştirilmesini ve denetlenmesini sağlar. Bazı nükleer enerji mühendisleri, Mars'a gidecek nükleer uzay aracını yapmak için uğraşmaktadırlar. Okyanus mühendisliği Okyanus kaynaklarını bulma ve kullanma konusuna yönelmişlerdir. Bu mühendisler petrol ve inşaat mühendisliği ile sıkı işbirliği içindedirler. Mesela, okyanus mühendisleri (petrol mühendislerinin işi olan) sualtı petrolüne ya da gaz arama konularına eğilir ya da (inşaat mühendislerinin işi olan) liman tesisatı, su altı makinesi ve petrol platformları gibi tesisat tasarımları da yaparlar. Ulaşım mühendisliği İnsanlar ve eşyalar için güvenli ve pratik ulaşım sağlayan cadde, otoban ve diğer ulaşım sistemlerini dizayn ederler. Mesela, yeni bir stadyum inşa etmeden önce belediye yetkilileri, maçlardan sonra trafik sıkışmalarını önleyecek trafik yollarını planlama görevini ulaşım mühendislerine verir. 14.10.2012 9
Tekniker: Üniversitelere bağlı eğitim-öğretim yapan iki yıllık meslek yüksek okullarını başarı ile bitiren adaylara verilen bir mesleki unvandır. İş hayatındaki pozisyonu mühendis ile teknisyen, usta, işçi arasındaki koordinasyonu sağlayan ara meslek elemanı olarak konumlandırılmıştır. Tekniker ya da teknisyen mesleki unvan ve yetkinlik sıralaması açısından mühendisliğin bir alt seviyesidir. İş hayatındaki pozisyonu Mühendis ile Teknisyen, usta, işçi arasındaki koordinasyonu sağlayan ara meslek elemanı olarak konumlandırılmıştır. Küçük ve orta büyüklükteki işletmelerde sorumlu yöneticilik yapabilir. Teknisyen: Mesleki ve teknik orta öğretim programlarından mezun olup mevzuatına göre atanmış, kurumların atölye ve laboratuarlarında eğitim-öğretim, üretim ve hizmet ortamında fiilen çalışan kişiye denir. 14.10.2012 10
14.10.2012 11
MÜHENDİSLİK MALZEMELERİ VE ÖZELLİKLERİ 14.10.2012 Şekil 1. Mühendislik malzemelerinin zamanla gelişimi 12
İlk çağlarda insanoğlunun en çok kullandığı malzeme seramikler iken, sonraki yıllarda seramiklerin payı azalmış ve metalleri payı yükselmiştir. 1960 lı yıllar metalik malzemelerin altın çağı olup, kullanım oranları %70 ler civarındadır. 2000 li yıllarda metaller yine üstünlüklerini sürdürmektedirler. Diğer malzeme grupları (polimerler, seramikler, kompozitler) ise eşit kullanım yüzdelerine yaklaşmışlardır. 104 elementin 5 i (O, Si, Al, Fe, Ca) yerkabuğunun %91 ini oluşturur. Oksijen ağırlıkça yaklaşık %50 orana sahiptir (Havada %23). O ve Si beraberce yerkabuğunun %75 ini oluştururlar. 104 elementin çoğu metaldir (%80). Demir çelik insanoğlunun en çok kullandığı metal alaşım dır. Alüminyum ve bakır alaşımları ikinci ve üçüncü sırada yer alırlar. 14.10.2012 13
Şekil 2. Çeliğin dökümü, şekillendirilmesi, kılıç haline getirilmesi, döverek sertleştirilmesi ve kullanımı. Malzeme Profilleri (Materials Profiles) Çağlar insanların kullandıkları malzemelerle adlandırılmıştır. Taş, bronz, demir, plastikler ve bugün silikon. İçinde bulunduğumuz yıllar sadece bir malzeme ile adlandırılamaz. Günümüzde şaşırtıcı derecede malzeme çeşitliliği ve kombinasyonu mevcuttur. Tarih boyunca malzeme geliştirme hiç böyle hızlı ve yaygın olmamıştır ve malzeme özellikleri böyle farklılaşmamıştır. Bu değişiklikler sonucu malzeme menüsü yani çeşitliliği öyle artmıştır ki tasarımcıların yalnızca 14.10.2012 14 malzemelerin yarısını bilmeleri normal sayılır.
Malzeme Geliştirme (Materials Evolution) Tarih öncesi (>10000) malzemeler (Taş devri) seramikler, camlar, doğal polimerler ve kompozitlerden meydana gelmiştir. Geçmiş çağlarda silahlar daima teknolojinin pik yaptığı alandır binalar ve köprüler taş ve ağaç, giyecekler yün ve deriden yapılmıştı. Doğal olarak bulunan altın ve gümüş bölgeseldi ve teknolojiyi fazla etkilememiştir. Bakır, bronz ve demirin bulunması (Bronz çağı 3000 1000 MÖ ve Demir çağı 1000 MÖ 1620 MS) şaşırtıcı gelişme sağlamıştır. Eski ağaç ve taş silahların ve takımların yerini bu malzemeler almıştır. Dökme demir teknolojisi (1620 ler) metallerin mühendislikte hakimiyetini sağlamıştır. Çeliklerin geliştirilmesi (1850 den bugüne), hafif alaşımlar (1940 lar) ve özel alaşımlar metalik malzemelerin pozisyonu güçlendirmiştir. 1960 larda mühendislik malzemeleri denince metaller akla gelirdi. Metallerdeki bu gelişmeler ile birlikte diğer malzeme sınıfları da önem kazanmaya başlamıştır. Portland çimentosu, refrakterler ve ergimiş silis gibi malzemeler seramikleri oluşturur. Sentetik lastik, bakalit ve polietilen(pe) gibi malzemeler ise polimerlere örnek verilebilir. Bu malzemelerin pazardaki payları geçmişte düşüktü. 1960 yılından bugüne bir değişim görülmüştür. Yeni metalik alaşımların gelişme hızı azalmıştır. Bazı ülkelerin çelik ve dökme demir talebi düşmüştür. Polimerlerik malzemeler, metalleri artan sayıdaki pazarda geçmişlerdir. Metal üretim endüstrisinin en büyük pazarı otomobilde de bu böyle olmuştur. Kompozit endüstrisi kuvvetli bir şekilde büyümüştür, yüksek performanslı seramik alanı da bunlardan biridir. 14.10.2012 15
Tablo 1.1 Malzeme Özellikleri 14.10.2012 16
Bir mühendisin önünde 100.000 den fazla malzeme seçeneği vardır. Yapı veya cihaz tasarımında bir mühendis bu menüyü nasıl kullanacaktır? Hatalı malzeme seçimi felaketlere yol açabilir! II. Dünya savaşı sırasında bir grup ticaret gemisi - düşman saldırısından değil - kaynaklı gövdenin kırılma direnci düşük bölgesinin hasarından dolayı ikiye ayrılmış ve batmıştı. Comet uçağı da, cam bölgesindeki donanımın yorulma mukavemetinin düşük olması nedeniyle düşmüştü. Düşük modüllü polimeriler ev eşyalarında hasarlardan kaçmak için genellikle tolerans üstü oranlarda kullanılır. Malzeme özellikleri Tablo 1.1 de, malzeme grupları ise Tablo 1.2 de verilmiştir. Birçok mühendislik malzemeleri metal ve alaşımlardan oluşmuştur. Polimerler artan oranlarda ve giderek metallerin yerine almaktadır. Bu malzemeler tasarımcıların ilgisini çeken özellikler kombinezonuna sahiptir. Seramikler (yeni malzeme grubu olarak) büyüyen bir alandır. Motorlarda, bıçak uçlarında, düşük sürtünmeli yataklarda çok kullanılırlar. Mühendis, çeşitli malzemelerin en iyi özeliklerini dikkate alarak kompozitleri karma malzemeleri yapar (en çok bilineni karbonfiberdir). Doğal malzemeler (ağaç ve deri) dikkat çeken özelliklere ve kullanıma sahiptir. 14.10.2012 17
Tablo 1.2 Malzeme Sınıfları 14.10.2012 18
Bir Örnek: Plastik kollu tornavida Tipik bir tornavida mil ve el kısmına sahip olup yüksek karbonlu çelikten üretilir (Çelik, modülü yüksek olduğundan mil olarak seçilir). Yüksek modül elastik deformasyonu ve kıvrılmayı önler. Eğer mil polietilenden yapılsa idi kullanım sırasında döner-eğrilirdi. Yüksek modül bu uygulamadaki en önemli unsurdur. Bu özellikle birlikte akma gerilmesi de önemlidir. Eğer malzemede yüksek akma gerilmesi yoksa, mil kıvrılır veya döner. Ayrıca uç sert olmalıdır. Aksi durumda hasar oluşacaktır. Örneğin cam yüksek modüle, yüksek akma gerilmesine ve yüksek sertliğe sahip bir malzemedir. Fakat kırılgan olduğundan bu uygulama için iyi bir çözüm değildir. Açık ifadeyle, cam düşük kırılma tokluğuna sahiptir. Çeliğin ise kırılma tokluğu (kırılma ve yırtılmaya direngenlik) yüksektir. Tornavidanın el kısmı polimer veya plastikten yapılır ve en uygun seçenek PMMA dır. El kısmı milden daha kalındır. Dairesel yük milden daha azdır ve döndürme sırasında deformasyona uğramaz. Onun modülü önemli değildir. Yumuşak deri (başka polimer) ise modülü aşırı düşük olduğundan, bu uygulama için elverişli değildir ve takım aletleri başka malzemeden (ağaç gibi) de yapılmaktadır. Eğer yıllık tüketimi dikkate alırsak ağaç en önemli polimerdir. O, PMMA ile yer değiştirmiştir. PMMA da şekillendirme kolaydır. Estetik özellik görünüm yoğunluk ve fiyat onu cazip kılar. 14.10.2012 19
Düşük fiyat ve bulunabilirlik malzeme seçimini etkiler. 150 yıl öncesine kadar ağaç yapı malzemesi idi. Ucuz ve yüksek kalite taş da bir alternatifti. 18.yüzyılda dökme demir, 19.yüzyıl sonlarında yumuşak çelik seçenek oldu. Bugünlerde (yapılarda), ağaç, çelik ve takviyeli beton alternatif çözümlerdir. Aralarındaki fiyat farkı belirleyicidir. Mühendislik tasarımı birçok unsuru içerir. Seçim genellikle içsel ve yüzeysel özelliklere göredir (mukavemet ve korozyon direnci gibi). Kolay üretim, müşteri ve ekonomi önemli unsurdur. Şekil 1.1 mühendislik malzemelerini, Şekil 1.2 ise tasarımdaki ana girdileri vermektedir. Şekil 1.1 Mühendislik malzemeleri 14.10.2012 20
Şekil 1.2 Tasarımdaki ana girdiler 14.10.2012 21
2. MALZEMELERİN FİYATI VE BULUNMASI Günümüzde en pahalı malzemeler; elmas, platin, altın ve en ucuz malzemeler ise dökme demir, ağaç ve çimentodur. Dünya gazetesi günlük bazda önemli malzeme fiyatlarını verir. Fiyatlar ve eğilimler çok önemlidir. Malzeme fiyatlarında kısa ve uzun dönem oynamaları görülür. 2004 yılı ilk çeyreğinde demir fiyatları tırmanışa geçmişti (pik demir 400$/ton u gördü). Aynı yılın üçüncü çeyreğinde ise petrol fiyatları tırmandı ve 50$/varil değerini buldu. Kısa dönem fiyat oynamaları malzemenin azalması veya çoğalması ile ilgili değildir. Arz talep değişimi, politik ve spekülatif nedenli olabilir. 1978 de dünyadaki kobalt darlığı Zaire maden yataklarına (ana üretici) gerilla saldırısı nedeniyle olmuştu. Soğuk savaş sonrası (1990 lar) görülen alüminyum ve elmastaki düşük fiyat Rusya ve eski doğu bloğu ülkelerinden bu ürünlerin pompalanması sonucu oluşmuştur. Uzun dönem değişiklikleri farklıdır ve genellikle gerçek maliyeti (sermaye yatırımı, işçilik ve enerji) kapsar. Cevher veya ham maddenin çıkarma, taşıma ve çeşitli işlemlerini içerir. Enflasyon ve artan enerji fiyatları yükselişi sağlar. Bu bakırda yaşanmıştır. Giderek fakirleşen bakır cevher yataklarından bakır eldesi zordur. Kayaçları kırmak, zararlıları ayırmak için daha çok enerji harcanır ve metal üretilecek konsantre eldesi pahalılaşır. Malzemelerin azlığı, çokluğu ve malzemelere bağımlılığımız fiyatta belirleyicidir. 14.10.2012 22
Malzemelerin Kullanım Oranları Gelişmiş ülkelerde kullanımdaki malzemeler genellikle standartlaştırılmıştır ve bilinen malzemelerde yığılma vardır. Çelik beton ve ağaç inşaatlarda kullanılır. Çelik ve alüminyum genel mühendislikte, bakır elektrik iletkenlerinde, polimerler ev eşyalarında kullanılır. Bu ülkelerde kullanım yüzdeleri de benzerdir. Metaller arasında en çok çelik kullanılır ve dünyadaki metal üretiminin yüzde doksanı çeliktir. Metal dışı malzemeler ağaç ve beton çeliği aşar ve kullanım oranı daha fazladır. Tablo 2.1 İngiltere mühendislik malzemeleri ve hammadde ithalat oranları (%) İngiltere gibi gelişmiş ülkelerin ithalat kaleminin yaklaşık yüzde yirmisini mühendislik malzemeleri oluşturur. Tablo 2.1 bunu vermektedir. Demir çelik ve onun ham maddesi toplamı %27 lik bir payı (çeyrek) oluşturur. Bunu ağaç ve kereste takip eder, bunlar hafif inşaatta kullanılırlar. Bir çeyrekten fazlası metal, bakır, gümüş, alüminyum ve nikele gider, lastikle beraber bütün polimerlerin ithalat oranı %10 u zor geçer. Metal, çinko, kurşun, kalay, volfram ve civa ile beraber liste %99 a tamamlanır. 14.10.2012 23
Yer Kabuğunun Bileşimi Birkaç mühendislik malzemesi dünya ve okyanusların ve atmosferdeki bileşiklerin sentezlenmesiyle elde edilir. Magnezyum buna bir örnektir. Çoğu malzemeler ise yerkabuğunda dağılmış cevherlerin madencilik işlemiyle kazanılması, zenginleştirilmesi ve arıtılması adımlarıyla elde edilir. Bizim bağımlısı olduğumuz bu malzemeler ne kadardır ve nasıl dağılmışlardır? Bakır, gümüş, altın, kalay ve cıva değerlendirilebilir oranda mıdır ve ne kadar mevcuttur? Bu beşi de az bulunur ve işletilebilir rezervleri azdır. Lokal olarak bulunan bu elementler ülkelerin stratejik ürünleri olarak görülürler. 14.10.2012 24
Tablo 2.2 Elementler ve % değerleri Bütün malzemeler yoğun veya az olarak yer kabuğu içinde dağılmışlardır. Tablo 2.2 yerkabuğu katmanındaki elementleri vermektedir. Yerkabuğunun ağırlıkça %47 si oksijendir. Oksijen büyük atomlu olduğundan hacmin %96 sını oluşturur (jeologlar yerkabuğunu katı oksijen olarak tarif ederler ). Bu, silisyum ve alüminyum tarafından takip edilir (silikalar ve alümina silikalar şekli hakimdir). Demir %5 civarındadır, ancak bölgesel birikim alüminyum gibi onun değerlendirilmesini mümkün kılar. Polimer üretmekte kullanılan ham malzeme (petrol gibi) metallerden daha çoktur ve daha hazır haldedir. Karbon rezervi çoktur. Her ay çıkartılan karbon her yıl çıkartılan demirden fazladır. Polimerin ikinci girdisi olan hidrojen doğada boldur. 14.10.2012 25
Eksponansiyel Büyüme ve Tüketimi Katlama Zamanı Bir kaynağın yeter zamanını nasıl hesaplarız? Bütün malzemeler gibi civa tüketimi de zamanla eksponansiyel olarak büyür (Şekil 2.1). Bu büyük ölçüde nüfus büyümesi ve yaşam standardının eksponansiyel büyümesi sonucudur. Bunu aşağıdaki gibi analiz ederiz. Mevcut yıllık tüketim C ise eksponansiyel büyüme; Burada r yıllık büyüme hızıdır (Düşük hız % 1-5 dir). Burada Co, t=to daki tüketim hızıdır. İkiye katlanma süresi td, C/Co=2 ile bulunur. Şekil 2.1 Malzemelerin eksponansiyel tüketim büyümesi Çelik tüketimi artış hızı %2/yıldan azdır. Çelik tüketimi 35 yılda ikiye katlanır. Polimer tüketimi %5/yıl hızla büyür. 14 yılda ikiye katlanır. 1960 ve 1970 lerde polimer üretimi çok hızlı artmıştır (%18 ile pik yapmıştır). 4 yılda ikiye katlanmış olan tüketim bugün makul hızlara gerilemiştir. 14.10.2012 26
Kaynak Mevcudiyeti Kaynak mevcudiyeti birkaç ülkede bölgeselleşme gösterebilir (Bu tehlikelidir, üretim kontrol ve kartel hareketi doğurabilir). Rezervin boyutu, madencilik ve işleme için gereken enerji önemlidir. Kaynak ömrü hesabı yapılmalıdır. Rezerv, bugünün teknolojisi ve parası ile maddenin karlı olarak çıkarılması mümkün alanı kapsar. Muhtemel rezerv ve mümkün rezerv, yüksek fiyatlarla daha iyi teknoloji ile veya geliştirilmiş nakliye hallerinde değerlendirilebilir (Şekil 2.2). Rezerv bankadaki para gibidir. Siz ona sahip olduğunuzu bilirsiniz. Kaynak daima rezervden çoktur. Yarı ömür önemlidir. Ag, Sn, W, Zn, Pb, Hg, petrol yarılanması 40 70 yıldır. Diğerleri (Fe, Al, seramik ve cam ham malzemeleri) şaşırtıcı oranda bulunur. Eksponansiyel tüketim hızında bile yüzyıllarca yetebilir. 14.10.2012 27 Şekil 2.2 Rezerv ve kaynak alanı arasındaki fark.
Malzemenin çıkarılması enerji gerektirir (Tablo 2.3). Malzeme azaldıkça, daha fakir yataklara müracaat edilir. Bu, örneğin bakır üretimini daha pahalı kılar, daha çok enerji harcanır. Tablo 2.3 Malzemelerin enerji gereksinimleri (GJ/ton) *Yaklaşık olarak enerji maliyeti UK 3 (US $4.5)/GJ (1994). 14.10.2012 28
Gelecek Gelecekte mühendislik malzemelerinin eksikliğini nasıl aşarız? a) Malzeme etkili tasarım; Birçok tasarımda gereğinden çok malzeme kullanılır. Çokça bulunan malzeme, nadir bulunan malzeme yerine kullanılır. Örneğin paslanmaya karşı direnç için çokça bulunan malzeme kaplanarak çözüm üretilir. b)yer değiştirme; Taşın ve ağacın, inşaatlarda çelik ve beton yerine kullanımı örnek verilebilir. Borularda bakır yerine PE kullanımı. Ev eşyalarında ağaç ve metalden polimerlere geçiş. Elektrik telinde bakır yerine alüminyum kullanımı. c)geri dönüşüm; Eski inşaat malzemeleri ve metal hurdalar geri dönüşüme uğratılırlar. Bu emek, yoğun bir döngü olduğu için uygulama ve alanın genişlemesi problem oluşturur. Geçen 30 yıl zarfında işçiliğin artması, birçok geri dönüşüm prosesini ekonomik olmaktan çıkarmıştır. Enerji ve sermaye azaltıldığında (veya maliyet yükseltildiğinde) veya hükümetler malzeme tekrar kullanımını cazip hale getirirlerse, geri dönüşüm çekici olur. 14.10.2012 29
Sonuç Malzeme, kaynak ve mevcudiyeti enerji kadar kritik değildir. Bazı malzemeler, çokça mevcuttur (kereste gibi) ve yenilenebilir. Bu türler, inşaat malzeme grubuna girer. Bazıları ise doğada azdır. Onların fiyatlarının artması, kullanıldıkları cihaz/ürün toplam fiyatını çok etkilemez. Ayrıca, yer değiştirme mümkündür. Yeni teknoloji ağırlıklı yer değiştirme, yatırım gerektirir ve 25 yılı alabilir. Gelecek 20 yılda, enerji fiyat artışı beklenmelidir. İyi bir tasarımcı, sürekli bu olguyu bilir ve malzemeleri diğerleri ile değiştirmeyi düşünür. 14.10.2012 30