At rejse til solen:Hvorfor smelter Parker Solar Probe ikke?

Den her sommer, NASA's Parker Solar Probe vil starte for at rejse tættere på Solen, dybere ind i solens atmosfære, end nogen mission før den. Hvis Jorden var i den ene ende af en målestok og Solen på den anden, Parker Solar Probe vil nå inden for fire tommer af soloverfladen.

Inde i den del af solatmosfæren, en region kendt som corona, Parker Solar Probe vil give hidtil usete observationer af, hvad der driver den brede vifte af partikler, energi og varme, der forløber gennem regionen - slyngende partikler udad i solsystemet og langt forbi Neptun.

Inde i coronaen, det er også, selvfølgelig, ufatteligt varmt. Rumfartøjet vil rejse gennem materiale med temperaturer større end en million grader Fahrenheit, mens det bliver bombarderet med intenst sollys.

Så, hvorfor smelter det ikke?

Parker Solar Probe er designet til at modstå de ekstreme forhold og temperaturudsving for missionen. Nøglen ligger i dets tilpassede varmeskjold og et autonomt system, der hjælper med at beskytte missionen mod solens intense lysudsendelse, men tillader det koronale materiale at "røre" rumfartøjet.

Videnskaben bag hvorfor det ikke smelter

En nøgle til at forstå, hvad der holder rumfartøjet og dets instrumenter sikre, er at forstå begrebet varme versus temperatur. Kontraintuitivt, høje temperaturer oversættes ikke altid til faktisk opvarmning af et andet objekt.

I rummet, temperaturen kan være tusindvis af grader uden at give væsentlig varme til en given genstand eller føles varm. Hvorfor? Temperatur måler, hvor hurtigt partikler bevæger sig, hvorimod varme måler den samlede mængde energi, som de overfører. Partikler kan bevæge sig hurtigt (høj temperatur), men hvis der er meget få af dem, de vil ikke overføre meget energi (lav varme). Da rummet for det meste er tomt, der er meget få partikler, der kan overføre energi til rumfartøjet.

Coronaen, som Parker Solar Probe flyver igennem, for eksempel, har en ekstrem høj temperatur, men meget lav densitet. Tænk på forskellen mellem at sætte hånden i en varm ovn i forhold til at putte den i en gryde med kogende vand (prøv det ikke derhjemme!) – i ovnen, din hånd kan modstå væsentligt varmere temperaturer i længere tid end i vandet, hvor den skal interagere med mange flere partikler. Tilsvarende sammenlignet med Solens synlige overflade, koronaen er mindre tæt, så rumfartøjet interagerer med færre varme partikler og modtager ikke så meget varme.

Det betyder, at mens Parker Solar Probe vil rejse gennem et rum med temperaturer på flere millioner grader, overfladen af ​​varmeskjoldet, der vender mod solen, bliver kun opvarmet til omkring 2, 500 grader Fahrenheit (ca. 1, 400 grader Celsius).

Skjoldet, der beskytter det

Selvfølgelig, tusinder af grader Fahrenheit er stadig fantastisk varmt. (Til sammenligning, lava fra vulkanudbrud kan være hvor som helst mellem 1, 300 og 2, 200 F (700 og 1, 200 C) Og for at modstå den varme, Parker Solar Probe gør brug af et varmeskjold kendt som Thermal Protection System, eller TPS, som er 8 fod (2,4 meter) i diameter og 4,5 tommer (ca. 115 mm) tyk. Disse få centimeters beskyttelse betyder, at lige på den anden side af skjoldet, rumfartøjets krop vil sidde ved en behagelig 85 F (30 C).

TPS er designet af Johns Hopkins Applied Physics Laboratory, og blev bygget hos Carbon-Carbon Advanced Technologies, ved at bruge et carbon-kompositskum, der er klemt mellem to carbonplader. Denne lette isolering vil blive ledsaget af et prikken over i'et af hvid keramisk maling på den solvendte plade, at reflektere så meget varme som muligt. Testet til at modstå op til 3, 000 F (1, 650 C), TPS kan håndtere enhver varme, solen kan sende sin vej, holder næsten al instrumentering sikker.

Koppen, der måler vinden

Men ikke alle Solar Parker Probe-instrumenterne vil være bag TPS.

Stikker ud over varmeskjoldet, Solar Probe Cup er et af to instrumenter på Parker Solar Probe, som ikke vil blive beskyttet af varmeskjoldet. Dette instrument er det, der er kendt som en Faraday kop, en sensor designet til at måle ion- og elektronfluxene og strømningsvinklerne fra solvinden. På grund af intensiteten af ​​solatmosfæren, unikke teknologier skulle konstrueres for at sikre, at instrumentet ikke kun kan overleve, men også elektronikken ombord kan sende nøjagtige aflæsninger tilbage.

Selve koppen er lavet af plader af titan-zirconium-molybdæn, en legering af molybdæn, med et smeltepunkt på ca. 4, 260 F (2, 349 C). Chipsene, der producerer et elektrisk felt til Solar Probe Cup, er lavet af wolfram, et metal med det højeste kendte smeltepunkt på 6, 192 F (3, 422 C). Normalt bruges lasere til at ætse gitterlinjerne i disse chips - men på grund af det høje smeltepunkt måtte syre bruges i stedet.

En anden udfordring kom i form af de elektroniske ledninger - de fleste kabler ville smelte fra eksponering for varmestråling i så tæt nærhed til Solen. For at løse dette problem, holdet dyrkede safirkrystalrør til at ophænge ledningerne, og lavede ledningerne af niobium.

For at sikre, at instrumentet var klar til det barske miljø, forskerne havde brug for at efterligne Solens intense varmestråling i et laboratorium. For at skabe et testværdigt varmeniveau, forskerne brugte en partikelaccelerator og IMAX-projektorer - juryrigtet til at øge deres temperatur. Projektorerne efterlignede solens varme, mens partikelacceleratoren udsatte koppen for stråling for at sikre, at koppen kunne måle de accelererede partikler under de intense forhold. For at være helt sikker på, at Solar Probe Cup ville modstå det barske miljø, Odeillo-solovnen - som koncentrerer solens varme gennem 10, 000 justerbare spejle – blev brugt til at teste koppen mod den intense solemission.

Solar Probe Cup bestod sine test med glans – ja, den fortsatte med at præstere bedre og give klarere resultater, jo længere den var udsat for testmiljøerne. "Vi mener, at strålingen fjernede enhver potentiel forurening, "Justin Kasper, hovedefterforsker for SWEAP-instrumenterne ved University of Michigan i Ann Arbor, sagde. "Det rensede stort set sig selv."

Rumfartøjet, der holder det køligt

Adskillige andre designs på rumfartøjet holder Parker Solar Probe i læ fra varmen. Uden beskyttelse, solpanelerne – som bruger energi fra selve den stjerne, der undersøges, til at drive rumfartøjet – kan overophedes. Ved hver tilgang til Solen, solpanelerne trækker sig tilbage bag varmeskjoldets skygge, efterlader kun et lille segment udsat for Solens intense stråler.

Men så tæt på Solen, endnu mere beskyttelse er nødvendig. Solpanelerne har et overraskende simpelt kølesystem:en opvarmet tank, der forhindrer kølevæsken i at fryse under opsendelsen, to radiatorer, der holder kølevæsken fra at fryse, aluminiumsfinner for at maksimere køleoverfladen, og pumper til at cirkulere kølevæsken. Kølesystemet er kraftigt nok til at køle en stue af gennemsnitlig størrelse, og vil holde solpanelerne og instrumenteringen kølige og fungerende, mens de er i solens varme.

Kølevæsken brugt til systemet? Cirka en gallon (3,7 liter) deioniseret vand. Mens der findes masser af kemiske kølemidler, intervallet af temperaturer rumfartøjet vil blive udsat for varierer mellem 50 F (10 C) og 257 F (125 C). Meget få væsker kan klare disse områder som vand. For at forhindre vandet i at koge ved den højere ende af temperaturerne, det vil blive sat under tryk, så kogepunktet er over 257 F (125 C).

Et andet problem med at beskytte ethvert rumfartøj er at finde ud af, hvordan man kommunikerer med det. Parker Solar Probe vil stort set være alene på sin rejse. Det tager lys otte minutter at nå Jorden - hvilket betyder, at hvis ingeniører skulle styre rumfartøjet fra Jorden, når noget gik galt, ville det være for sent at rette op på det.

Så, rumfartøjet er designet til autonomt at holde sig selv sikkert og på vej mod Solen. Flere sensorer, omkring halv størrelse af en mobiltelefon, er fastgjort til rumfartøjets krop langs kanten af ​​skyggen fra varmeskjoldet. Hvis nogen af ​​disse sensorer registrerer sollys, de advarer den centrale computer, og rumfartøjet kan rette sin position for at holde sensorerne, og resten af ​​instrumenterne, sikkert beskyttet. Alt dette skal ske uden nogen menneskelig indblanding, så den centrale computersoftware er blevet programmeret og grundigt testet for at sikre, at alle rettelser kan foretages med det samme.

Lancering mod solen

Efter lanceringen, Parker Solar Probe vil registrere solens position, juster det termiske beskyttelsesskjold, så det vender mod det og fortsæt dets rejse i de næste tre måneder, omfavner solens varme og beskytter sig mod rummets kolde vakuum.

I løbet af syv års planlagt missionsvarighed, rumfartøjet vil lave 24 kredsløb om vores stjerne. Ved hver tæt tilgang til Solen vil den prøve solvinden, studere solens korona, og giver hidtil uset tætte observationer fra omkring vores stjerne – og bevæbnet med dens væld af innovative teknologier, vi ved, at det vil holde det køligt hele tiden.