Key Parker Solar Probe sensor bedste solsimulator – sidste lanceringshindring

Du kommer ikke til at svømme i solens atmosfære, medmindre du kan bevise, at du hører til der. Og Parker Solar Probes Faraday kop, en nøglesensor ombord på NASA-missionen på 1,5 milliarder dollar, der lanceres denne sommer, fortjente sine striber i sidste uge ved at udholde test i en hjemmelavet anordning designet til at simulere solen.

Koppen vil øse op og undersøge solvinden, når sonden passerer tættere på solen end noget tidligere menneskeskabt objekt. Justin Kasper, University of Michigan lektor i klima- og rumvidenskab og teknik, er hovedefterforsker for Parkers undersøgelse af Solar Wind Electrons Alphas and Protons (SWEAP).

For at bekræfte, at koppen vil overleve den ekstreme varme og lys fra solens overflade, forskere har tidligere tortureret en model af Faraday-koppen ved temperaturer over 3, 000 grader Fahrenheit, med tilladelse fra Oak Ridge National Laboratory's Plasma Arc Lamp. Koppen, bygget af ildfaste metaller og safirkrystal isolatorer, overskredet forventningerne.

Men den sidste test fandt sted i sidste uge, i en hjemmelavet anordning kalder Kasper og hans forskerhold Solar Environment Simulator. Mens den bliver blæst med omkring 10 kilowatt lys på overfladen - nok til at opvarme en metalplade til 1, 800 grader Fahrenheit på få sekunder - Faraday cup-modellen løb gennem sine trin, med succes at scanne en simuleret strøm af solvind.

"At se instrumentet spore signalet fra ionstrålen, som om det var plasma, der strømmede fra solen, var en spændende forhåndsvisning af, hvad vi vil se med Parker Solar Probe, sagde Kasper.

Roiling i solens atmosfære kan voldsomt kaste skyer af plasma ud i rummet, kendt som koronale masseudstødninger, nogle gange direkte på jorden. Uden forholdsregler, sådanne skyer kan opsætte geomagnetiske svingninger rundt om Jorden, der kan udløse satellitelektronik, forstyrre GPS- og radiokommunikation og - i værste fald - kan skabe strømstød gennem elnet, der kan overbelaste og forstyrre systemet i længere perioder, op til måneder.

Ved at forstå, hvad solkoronaen består af, og hvad der driver den konstante udstrømning af solmateriale fra solen, videnskabsmænd på Jorden vil være bedre rustet til at fortolke den solaktivitet, vi ser langvejs fra, og skabe et bedre tidligt varslingssystem. Det er her Parker Solar Probe, planlagt til lancering den 31. juli, 2018, kommer ind, med sit supplement af eksperimenter, der inkluderer Faraday-koppen.

For at teste kopmodellen, forskere skulle skabe noget nyt. Deres simulator sidder i et laboratorium på første sal ved Smithsonian Astrophysical Observatory i Cambridge, Masse., og legemliggør ordsproget om, at nødvendighed er opfindelsens moder.

Det ser ud som en provisorisk operationsstue, med en metalramme, der holder tykke blå presenninger op omkring tre sider, hvilket skaber et 16x8 arbejdsområde.

Inde i området, at genskabe solens varme og lys faldt til en kvartet af modificerede ældre model IMAX-projektorer, som Kaspers team købte på eBay for et par tusinde dollars stykket. Det er ikke de digitale maskiner, du finder i nutidens Cineplexes, men en tidligere generation, der brugte pærer.

"Det viser sig, at en biografpære på en IMAX-projektor kører på cirka samme 5, 700 grader Kelvin - den samme effektive temperatur som solens overflade, " sagde Kasper. "Og den afgiver næsten det samme lysspektrum som overfladen."

Rummet tilbyder stort set ingen atmosfære, hvilket betyder, at et ordentligt testmiljø for Faraday-koppen ville have så lidt luft som muligt. Så forskere anbragte koppen i et metalvakuumkammer til test.

Ligner en jernlunge, det syv fod lange sølvkammer har en luge i den ene ende, der svinger udad og har et lille rundt vindue i sig. Aftenen før testen, holdet begyndte at pumpe atmosfæren ud af vakuumkammeret.

På det tidspunkt, hvor simuleringen startede til test, kammeret registrerede omkring en milliarddel af Jordens atmosfære.

Alle fire IMAX-projektorer sidder oven på borde med hjul, og for at indstille til testen, forskere rullede dem på plads, med deres bjælker rettet gennem vakuumrørsvinduet direkte på Faraday-koppen.

Det sidste element i simulatoren er dens evne til at generere den slags partikler, som Faraday-koppen skal fornemme og evaluere. At gøre det, holdet fastgjorde en ionpistol til vakuumrørets luge, med "tønden" på enheden, der rækker ind og peger på koppen.

"Ionpistolen tager en pellet af metal og varmer den op, " sagde Anthony Case, en astrofysiker ved Harvard Smithsonian Institute for Astrophysics. "Når det bliver varmt, ioner begynder at koge af dette stykke metal. Så tilslutter du den til et batteri, accelererer ionerne ud af pistolen. Og vi kan lede dem direkte mod Faraday-koppens blænde, hvor de vil blive målt."

I denne sidste test, Faraday-koppen tog varmen og leverede - satte Parker Solar Probe på sporet til sommerlanceringen.

Kelly Korreck, en U-M alumne og astrofysiker ved instituttet, fungerer som leder af videnskabsoperationer på Parkers SWEAP-undersøgelse samt SWEAP-aktiviteter for Smithsonian.

"Med hensyn til testen i dag, det bekræftede, hvad jeg havde mistænkt – når man tager et fantastisk hold af videnskabsmænd og ingeniører, giv dem et kompleks, svært, interessant projekt og motivationen til at udforske en region af universet, menneskeheden aldrig har været i, før bemærkelsesværdige ting sker, " hun sagde.