Deze zomer, NASA's Parker Solar Probe wordt gelanceerd om dichter bij de zon te reizen, dieper in de zonneatmosfeer, dan enige missie ervoor. Als de aarde aan de ene kant van een maatstaf was en de zon aan de andere, Parker Solar Probe zal tot op 10 centimeter van het zonneoppervlak komen.

Binnen dat deel van de zonneatmosfeer, een gebied dat bekend staat als de corona, Parker Solar Probe zal ongekende waarnemingen bieden van wat het brede scala aan deeltjes aandrijft, energie en warmte die door het gebied stromen - deeltjes naar buiten het zonnestelsel inslingeren en ver voorbij Neptunus.

Binnen de corona, het is ook, natuurlijk, onvoorstelbaar heet. Het ruimtevaartuig zal door materiaal met temperaturen van meer dan een miljoen graden Fahrenheit reizen terwijl het wordt gebombardeerd met intens zonlicht.

Dus, waarom smelt het niet?

Parker Solar Probe is ontworpen om de extreme omstandigheden en temperatuurschommelingen voor de missie te weerstaan. De sleutel ligt in het aangepaste hitteschild en een autonoom systeem dat de missie helpt beschermen tegen de intense lichtemissie van de zon, maar laat het coronale materiaal het ruimtevaartuig "aanraken".

De wetenschap achter waarom het niet zal smelten

Een sleutel om te begrijpen wat het ruimtevaartuig en zijn instrumenten veilig houdt, is het concept van warmte versus temperatuur begrijpen. Niet intuïtief, hoge temperaturen vertalen zich niet altijd in het daadwerkelijk verwarmen van een ander object.

In de ruimte, de temperatuur kan duizenden graden zijn zonder een bepaald object significant te verwarmen of warm aan te voelen. Waarom? Temperatuur meet hoe snel deeltjes bewegen, terwijl warmte de totale hoeveelheid energie meet die ze overdragen. Deeltjes kunnen snel bewegen (hoge temperatuur), maar als het er maar heel weinig zijn, ze zullen niet veel energie overdragen (laag vuur). Omdat de ruimte meestal leeg is, er zijn maar heel weinig deeltjes die energie kunnen overbrengen naar het ruimtevaartuig.

De corona waar Parker Solar Probe doorheen vliegt, bijvoorbeeld, heeft een extreem hoge temperatuur maar een zeer lage dichtheid. Denk aan het verschil tussen je hand in een hete oven steken of hem in een pan met kokend water doen (probeer dit niet thuis!) - in de oven, je hand is langer bestand tegen aanzienlijk hogere temperaturen dan in het water waar het moet interageren met veel meer deeltjes. evenzo, vergeleken met het zichtbare oppervlak van de zon, de corona is minder dicht, dus het ruimtevaartuig interageert met minder hete deeltjes en ontvangt niet zoveel warmte.

Dat betekent dat terwijl Parker Solar Probe door een ruimte reist met temperaturen van enkele miljoenen graden, het oppervlak van het hitteschild dat naar de zon is gericht, wordt slechts tot ongeveer 2 verwarmd, 500 graden Fahrenheit (ongeveer 1, 400 graden Celsius).

Het schild dat het beschermt

Natuurlijk, duizenden graden Fahrenheit is nog steeds fantastisch heet. (Ter vergelijking, lava van vulkaanuitbarstingen kan ergens tussen de 1, 300 en 2, 200 F (700 en 1, 200 C) En om die hitte te weerstaan, Parker Solar Probe maakt gebruik van een hitteschild dat bekend staat als het Thermal Protection System, of TPS, die 8 voet (2,4 meter) in diameter en 4,5 inch (ongeveer 115 mm) dik is. Die paar centimeters bescherming betekenen dat net aan de andere kant van het schild, het lichaam van het ruimtevaartuig zal op een comfortabele 85 F (30 C) zitten.

De TPS is ontworpen door het Johns Hopkins Applied Physics Laboratory, en werd gebouwd bij Carbon-Carbon Advanced Technologies, met behulp van een koolstofcomposietschuim ingeklemd tussen twee koolstofplaten. Deze lichtgewicht isolatie gaat gepaard met een finishing touch van witte keramische verf op de zongerichte plaat, zoveel mogelijk warmte weerkaatsen. Getest om tot 3 te weerstaan, 000 F (1, 650 C), de TPS kan elke warmte aan die de zon zijn kant op kan sturen, om bijna alle instrumenten veilig te houden.

De beker die de wind meet

Maar niet alle instrumenten van de Solar Parker Probe zullen achter de TPS zitten.

Uitstekend over het hitteschild, de Solar Probe Cup is een van de twee instrumenten op Parker Solar Probe die niet worden beschermd door het hitteschild. Dit instrument is wat bekend staat als een Faraday-beker, een sensor die is ontworpen om de ionen- en elektronenfluxen en stroomhoeken van de zonnewind te meten. Door de intensiteit van de zonneatmosfeer, unieke technologieën moesten worden ontwikkeld om ervoor te zorgen dat niet alleen het instrument kan overleven, maar ook de elektronica aan boord kan nauwkeurige metingen terugsturen.

De beker zelf is gemaakt van platen van titanium-zirkonium-molybdeen, een legering van molybdeen, met een smeltpunt van ongeveer 4, 260 F (2, 349 C). De chips die een elektrisch veld produceren voor de Solar Probe Cup zijn gemaakt van wolfraam, een metaal met het hoogst bekende smeltpunt van 6, 192 F (3, 422 C). Normaal gesproken worden lasers gebruikt om de rasterlijnen in deze chips te etsen, maar vanwege het hoge smeltpunt moest in plaats daarvan zuur worden gebruikt.

Een andere uitdaging kwam in de vorm van de elektronische bedrading - de meeste kabels zouden smelten door blootstelling aan warmtestraling op zo'n korte afstand van de zon. Om dit probleem op te lossen, het team liet saffierkristallen buizen groeien om de bedrading op te hangen, en maakte de draden van niobium.

Om er zeker van te zijn dat het instrument klaar was voor de ruwe omgeving, de onderzoekers moesten de intense warmtestraling van de zon in een laboratorium nabootsen. Om een ​​testwaardig warmteniveau te creëren, de onderzoekers gebruikten een deeltjesversneller en IMAX-projectoren - door de jury gemanipuleerd om hun temperatuur te verhogen. De projectoren bootsten de hitte van de zon na, terwijl de deeltjesversneller de beker aan straling blootstelde om ervoor te zorgen dat de beker de versnelde deeltjes onder de intense omstandigheden kon meten. Om er absoluut zeker van te zijn dat de Solar Probe Cup bestand zou zijn tegen de barre omgeving, de Odeillo-zonneoven - die de warmte van de zon tot 10 concentreert, 000 verstelbare spiegels - werd gebruikt om de beker te testen tegen de intense zonnestraling.

De Solar Probe Cup heeft de tests met vlag en wimpel doorstaan ​​- inderdaad, het bleef beter presteren en gaf duidelijkere resultaten naarmate het langer werd blootgesteld aan de testomgevingen. "We denken dat de straling elke mogelijke besmetting heeft verwijderd, " Justin Kasper, hoofdonderzoeker voor de SWEAP-instrumenten aan de Universiteit van Michigan in Ann Arbor, zei. "Het heeft zichzelf in feite schoongemaakt."

Het ruimtevaartuig dat koel blijft

Verschillende andere ontwerpen op het ruimtevaartuig houden Parker Solar Probe beschut tegen de hitte. Zonder bescherming, de zonnepanelen - die energie gebruiken van de ster die wordt bestudeerd om het ruimtevaartuig van stroom te voorzien - kunnen oververhit raken. Bij elke nadering van de zon, de zonnepanelen trekken zich terug achter de schaduw van het hitteschild, waardoor slechts een klein segment wordt blootgesteld aan de intense zonnestralen.

Maar zo dicht bij de zon, er is nog meer bescherming nodig. De zonnepanelen hebben een verrassend eenvoudig koelsysteem:een verwarmde tank die ervoor zorgt dat de koelvloeistof niet bevriest tijdens de lancering, twee radiatoren die ervoor zorgen dat de koelvloeistof niet bevriest, aluminium vinnen om het koeloppervlak te maximaliseren, en pompen om de koelvloeistof te laten circuleren. Het koelsysteem is krachtig genoeg om een ​​woonkamer van gemiddelde grootte te koelen, en zullen de zonnepanelen en instrumentatie koel en functionerend houden terwijl ze in de hitte van de zon zijn.

De koelvloeistof die voor het systeem wordt gebruikt? Ongeveer 3,7 liter gedeïoniseerd water. Hoewel er veel chemische koelmiddelen bestaan, het temperatuurbereik waaraan het ruimtevaartuig wordt blootgesteld, varieert tussen 50 F (10 C) en 257 F (125 C). Zeer weinig vloeistoffen kunnen die bereiken aan zoals water. Om te voorkomen dat het water kookt bij de hogere temperaturen, het zal onder druk staan, zodat het kookpunt hoger is dan 257 F (125 C).

Een ander probleem bij het beschermen van een ruimtevaartuig is uitzoeken hoe ermee te communiceren. Parker Solar Probe zal grotendeels alleen zijn op zijn reis. Het licht heeft acht minuten nodig om de aarde te bereiken - wat betekent dat als ingenieurs het ruimtevaartuig vanaf de aarde moesten besturen, tegen de tijd dat er iets mis ging, zou het te laat zijn om het te corrigeren.

Dus, het ruimtevaartuig is ontworpen om zichzelf autonoom veilig en op koers naar de zon te houden. Meerdere sensoren, ongeveer half zo groot als een mobiele telefoon, zijn bevestigd aan het lichaam van het ruimtevaartuig langs de rand van de schaduw van het hitteschild. Als een van deze sensoren zonlicht detecteert, ze waarschuwen de centrale computer en het ruimtevaartuig kan zijn positie corrigeren om de sensoren te behouden, en de rest van de instrumenten, veilig beschermd. Dit alles moet gebeuren zonder menselijke tussenkomst, dus de centrale computersoftware is geprogrammeerd en uitgebreid getest om ervoor te zorgen dat alle correcties on-the-fly kunnen worden gemaakt.

Lancering richting de zon

Na de lancering, Parker Solar Probe detecteert de positie van de zon, lijn het thermische beschermingsschild uit om het onder ogen te zien en vervolg zijn reis voor de komende drie maanden, de hitte van de zon omarmen en zichzelf beschermen tegen het koude vacuüm van de ruimte.

In de loop van zeven jaar geplande missieduur, het ruimtevaartuig zal 24 banen van onze ster maken. Bij elke nadering van de zon zal het de zonnewind bemonsteren, bestudeer de corona van de zon, en bieden ongekend close-up observaties van rond onze ster - en gewapend met zijn hele reeks innovatieve technologieën, we weten dat het de hele tijd koel zal blijven.