Подорож до Сонця: чому сонячний зонд «Паркер» не розплавиться?

Цього літа NASA відправить сонячний зонд «Паркер» (Parker Solar Probe) до Сонця і той проникне глибоко в атмосферу світила, глибше ніж будь-яка місія до нього. Якби Земля була на одному кінці метрової палиці, а Сонце на іншому, сонячний зонд підійде на десять сантиметрів до поверхні зірки. Опинившись у цій частині сонячній атмосфері, відомої як корона, Parker Solar Probe надасть безпрецедентні спостереження того, що управляє всіма цими частинками, енергією і теплом, що курсують у короні, і запускає це через всю Сонячну систему, далеко за межі Нептуна.

В короні, звичайно, неймовірно спекотно. Космічний апарат буде подорожувати через матеріал з температурою більше мільйона градусів за Фаренгейтом під безперервним бомбардуванням інтенсивного сонячного світла.

Чому ж Parker Solar Probe не розплавиться?

Щоб зрозуміти, що підтримує космічний апарат та його інструменти безпеки, потрібно зрозуміти концепцію відносин тепла і температури. Справа в тому, що високі температури не завжди переходять у фактичне нагрівання іншого об'єкта.

В космосі температура може бути тисячі градусів, але конкретний об'єкт не буде нагріватися, спеки не відчується. Чому? Температура визначається швидкістю руху частинок, тоді як тепло вимірюється загальною кількістю енергії, яку вони переносять. Частинки можуть рухатися швидко (висока температура), але якщо їх буде небагато, і енергії буде небагато (мало тепла). Оскільки космос здебільшого порожній, дуже небагато частинки можуть передати енергію апарату.

Корона, через яку летить зонд «Паркер», наприклад, володіє надзвичайно високою температурою, але дуже низькою щільністю. Подумайте про різницю між тим, як засунути руку в гарячу духовку і засунути її в каструлю з киплячою водою (тільки не робіть цього) — у печі ваша рука може витримати набагато більш високу температуру протягом тривалого часу, ніж у воді, де їй доведеться взаємодіяти з величезною кількістю частинок. Аналогічним чином, якщо порівнювати з видимою поверхнею Сонця, корона менш щільна, тому космічний апарат взаимодействут з меншою кількістю гарячих частинок і сильно не нагрівається.

Це означає, що хоча «Паркер» буде рухатися через космос при температурах в декілька мільйонів градусів, поверхня теплового щита, яка спрямована на Сонце, буде нагріватися до 2500 градусів за Фаренгейтом (це 1400 градусів за Цельсієм).

Захисний щит

Звичайно, кілька тисяч градусів — це все ще фантастично гаряче. (Для порівняння, лава від вулканічного виверження може бути температурою від 700 до 1200 градусів). І щоб витримати це тепло, зонду «Паркер» потрібен тепловий щит під назвою Thermal Protection System (TPS), 2,4 метра в діаметрі і 115 міліметрів товщиною. Ці кілька дюймів захисту означають, що тільки одна сторона щита, де знаходиться корпус апарату, буде в комфортній температурі 30 градусів.

TPS був розроблений Лабораторією прикладної фізики Джона Хопкинса і побудований Carbon-Carbon Advanced Technologies, які взяли вуглецеву композитну піну і затиснули між двома вуглецевими пластинами. Ця легка ізоляція буде супроводжуватися напиленням білої керамическо фарби на сонячній стороні, щоб відбивати тепло по максимуму. Випробування показали, що щит здатний витримати температуру в 1650 градусів і захистити прилади від будь-якого тепла, посилається Сонцем.

Вимірювання вітру за допомогою чаші

Не всі інструменти «Паркера» будуть за щитом TPS.

Трохи вище теплового щита знаходиться Solar Probe Cup — один з двох інструментів «Паркера», не захищених тепловим щитом. Цей інструмент відомий як чаша (або колектор) Фарадея, датчик для вимірювання спалахів іонів та електронів і кутів потоків сонячного вітру. З-за інтенсивності сонячної атмосфери необхідні унікальні технології, які гарантують, що інструмент не тільки переживе політ, але і зможе надіслати точні дані назад.

Сама чаша виготовлена з титан-цирконій-молібденових пластин, молібденового сплаву з точкою плавлення 2349 градусів Цельсія. Чіпи, які виробляють електричне поле для «Паркера», зроблені з вольфраму, металу з найвищою точкою плавлення (3422 градуси). Зазвичай для травлення ліній сітки в цих чіпах використовуються лазери, проте із-за високої температури плавлення використовувалася кислота.

Інша проблема прийшла у формі електронних кабелів — більшість кабелів розплавилися б при дії теплового випромінювання на такій близькості до Сонця. Для вирішення цієї проблеми інженери виростили трубочки з сапфірових кристалів, щоб замкнути дроти, і зробили самі дроти з ніобію.

Щоб переконатися, що інструмент готовий до суворої середовищі, вченим потрібно було імітувати інтенсивне теплове випромінювання сонця в лабораторії. Щоб створити гідний рівень тепла, вчені використовували прискорювач частинок і прожектори IMAX. Прожектори імітували тепло сонця, а прискорювач частинок опромінював чашу. Щоб точно переконатися, що чаша «Паркера» зможе витримати суворі умови, використовувалася Одейлийская сонячна піч, найбільша в світі, яка концентрує тепло сонця за допомогою 10 000 настроюються дзеркал.

Сонячний зонд «Паркер» пройшов випробування на ура — насправді, він працював тим краще і тим більш чіткі результати видавав, чим більше піддавався впливу випробувальної середовища. «Ми думаємо, що випромінювання усунула будь-які можливізабруднення», говорить Юстин Каспер, дослідник інструментів SWEAP. «Він по суті самоочистился».

Біля сонця в прохолоді

Кілька інших конструкцій на космічному апарату підтримують Parker Solar Probe захищеним від тепла. Без захисту сонячні панелі — які використовують енергію самої зірки для живлення апарата — можуть перегрітися. По мірі наближення до сонця, сонячний масив ховається в тінь теплового щита, залишаючи лише невеликий сегмент відкритим інтенсивним променів сонця.

Але чим ближче до сонця, тим більше потрібно захисту. Масив батарей оснащений дивно простий системою охолодження: тепловий бак, який не дає холодоагенту замерзнути під час запуску, два радіатори, які не дають холодоагенту замерзнути, алюмінієві лопаті для максимізації поверхні охолодження, насоси для циркуляції холодоагенту. Система охолодження досить потужна, щоб охолодити невелику кімнату, і буде підтримувати масив сонячних батарей та інструменти холодними і функціонують навіть у теплі Сонця.

Що ж це за холодоагент? Близько 3,7 літрів деіонізованої води. Хоча існує безліч хімічних холодоагентів, діапазон температур, яким буде піддаватися космічний апарат, коливається між 10 градусами і 125 градусами. Дуже небагато рідини можуть обробляти такі діапазони, як вода. Щоб вода не скипав на високому наприкінці температур, вона буде перебувати під тиском, тому температура кипіння буде вище 125 градусів.

Інша проблема з захистом будь-якого космічного апарату — з'ясувати, як з ним спілкуватися. «Паркер» буде здебільшого наданий сам собі. Для сполучення з Землею світла потрібно вісім хвилин — тому інженери не зможуть контролювати апарат з Землі, якщо щось піде не так.

Таким чином, космічний апарат повинен автономно підтримувати себе в безпеці на шляху до сонця. Кілька датчиків, розміром з половину мобільного телефону, будуть кріпитися до тіла космічного апарату по краю тіні від теплового екрана. Якщо який-небудь з цих датчиків виявить сонячне світло, він попередить центральний комп'ютер і космічний апарат виправить своє становище, щоб захистити датчики та інші інструменти. Все це повинно відбутися без втручання людини, тому програмне забезпечення буде ретельно перевірятися, щоб вносити всі коригування на льоту.

Запуск до Сонця

Після запуску «Паркер» визначить положення Сонця, вирівняє захисний екран і продовжить свою подорож протягом наступних трьох місяців, вітаючи тепло Сонця і захищаючись від холодного вакууму космосу.

протягом семи років запланованої тривалості польоту космічний апарат обігне зірку по орбіті 24 рази. При кожному колі він буде наближатися до Сонця і збирати зразки сонячного вітру, вивчати корону і служити очима для наших вчених.