Kan Parker Solar Probe tage varmen?

Showets stjerne er en mørkegrå blok, omtrent på størrelse med en lærebog, og flere centimeter tyk. Som et publikum af journalister ser, en ingeniør kører et flammende blæselampe over blokken, indtil ansigtet varmer til en rød glød.

"Vil du tage et strejf af bagsiden?" hun inviterer en NASA-t-shirt-klædt frivillig.

Den frivillige rækker foreløbigt ud til ryggen, først med en finger, og derefter med hele hendes hånd.

"Hvordan føles det?"

"Lunkent, "svarer den frivillige." Ikke engang - normalt. "

Demonstrationen, kaldet "Blowtorch vs. Heat Shield" på YouTube, repræsenterer kulminationen på mange års forskning, forsøg og fejl, og omhyggelig analyse af ingeniører ved Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory for at løse det, de kalder "termisk problem" ved Parker Solar Probe, et rumfartøj, der vil rejse inden for 4 millioner miles fra solens overflade.

Det "termiske problem" er en skånsom måde at referere til komplikationerne ved at udføre dette rekordstore dyk direkte ind i vores stjernes ydre atmosfære, eller corona. Mens Parker Solar Probe kredser om stjernen og registrerer data med sine indbyggede instrumenter, et termisk beskyttelsessystem, eller TPS, vil beskytte rumfartøjet mod varmen. Kombineret med et vanddrevet kølesystem, TPS vil beholde størstedelen af ​​rumfartøjets instrumenter på omkring 85 grader Fahrenheit - en dejlig sommerdag - mens TPS selv udholder en temperatur på 2500 grader Fahrenheit.

Uden TPS, der er ingen sonde.

"Dette var teknologien, der gjorde os i stand til at udføre denne mission - at sætte den i stand til at flyve, "siger Elisabeth Abel, TPS termisk ledning. ”Det bliver utroligt spændende at se noget, man lægger meget energi og hårdt arbejde i, at se det faktisk flyve. Det bliver en stor dag. "

Parker Solar Probe forventes at blive lanceret fra Kennedy Space Center i Cape Canaveral, Florida, denne måned-dets lanceringsvindue åbner lørdag og løber til 23. august. Under sin syvårige mission, det vil udforske nogle af solens største mysterier:Hvorfor er solvinden en brise tættere på solen, men supersonisk strøm længere væk? Hvorfor er coronaen selv millioner af grader varmere end solens overflade? Hvad er mekanismerne bag de forbløffende hurtigt bevægelige solenergipartikler, der kan forstyrre rumfartøjer, forstyrre kommunikationen på Jorden, og bringe astronauter i fare?

Lanceringen afsluttes med 60 års planlægning og indsats, og mere end et årti brugt på at skabe det varmeskjold, der afbøjer det værste af solens energi.

Varmeskjoldets for- og bagside er lavet af plader af carbon-carbon, et letvægtsmateriale med overlegne mekaniske egenskaber specielt velegnet til høje temperaturer. På mindre end en tiendedel af en tomme tyk, de to carbon-carbon-plader er tynde nok til at bøje, selvom de blev lagt oven på hinanden. Mellem dem er omkring 4,5 tommer kulskum, bruges typisk i den medicinske industri til knogleerstatning. Dette sandwichdesign stivner alting op-som bølgepap-samtidig med at det 8 fods varmeskjold kun vejer omkring 160 pund.

Skummet udfører også varmeskjoldets væsentligste strukturelle funktioner. Kulstof leder selv varme, men kulstofskum er 97 procent luft. Ud over at reducere rumfartøjets vægt for at hjælpe det med at komme i kredsløb, skumstrukturen betyder, at der bare ikke er så meget materiale til varme at rejse igennem. Varmeskjoldet vil være 2500 grader Fahrenheit på siden mod solen, men kun 600 grader Fahrenheit bagtil.

Skummet var ikke let at teste. Det er ekstremt skrøbeligt, og der var et andet problem.

"Når du får det varmt, det kan forbrænde, "Siger Abel.

Forbrænding er ikke et problem i et vakuum (som i rummet), men luftrester i testkamre ville få skummet til at forkøles. Så ingeniørerne byggede deres eget vakuumkammer på Oak Ridge National Laboratory, hvor en høj temperatur plasma-lysbue lampefacilitet kunne opvarme materialet til de utrolige temperaturer, varmeskjoldet ville tåle.

Men alle kulstofskummets imponerende varmespredende egenskaber var ikke nok til at holde rumfartøjet på den nødvendige temperatur. Fordi der ikke er luft i rummet til at levere køling, den eneste måde for materiale til at bortvise varme er at sprede lys og skubbe varme ud i form af fotoner. For det, et andet beskyttelseslag var nødvendigt:en hvid belægning, der ville reflektere varme og lys.

For det, APL henvendte sig til Advanced Technology Laboratory i Johns Hopkins University's Whiting School of Engineering, hvor et heldigt sammenfald havde ført til samling af et drømmeteam med varmeskjold-belægning:eksperter i keramik med høj temperatur, kemi, og plasmaspraybelægninger.

Efter omfattende teknik og test, holdet besluttede sig for en belægning baseret på lyst hvidt aluminiumoxid. Men denne belægning kan reagere med kulstoffet i varmeskjoldet ved høje temperaturer og blive grå, så ingeniørerne tilføjede et lag wolfram, tyndere end en hårstreng, mellem varmeskjoldet og belægningen for at stoppe de to fra at interagere. De tilføjede nanoskala dopemidler for at gøre belægningen hvidere og for at hæmme ekspansionen af ​​aluminiumoxidkorn, når den udsættes for varme.

Derefter skulle ingeniørerne bestemme, hvordan belægningen bedst blev skabt og påført.

"Det hele kæmpede for at finde en keramisk belægning, der både reflekterer lys og udsender varmen, "siger Dennis Nagle, hovedforskningsingeniør ved Center for Systemvidenskab og Teknik.

Typisk når man arbejder med emalje, Nagle siger, en hård, ikke -porøs belægning foretrækkes - en, der knækker, når den rammer en hammer. Men under de temperaturer, Parker Solar Probe står over for, en glat belægning ville knuse som et vindue, der ramte med en sten. I stedet var målet en ensartet porøs belægning, der kunne modstå ekstreme miljøer. Når revner starter i en porøs belægning, de stopper, når de rammer en pore. Belægningen var lavet af flere ru, kornet lag - nok til at et sæt keramiske korn ville reflektere lys, som et andet lag savner.

"Jeg fortæller altid folk, at det virker, fordi det er en elendig belægning, "jokes Nagle." Hvis du vil lave en god belægning, det vil mislykkes. "

Efter lanceringen af ​​Parker Solar Probe, den vil dreje gentagne gange rundt om Venus i en gradvist indsnævret bane, der vil tage den tættere og tættere på solen. Forskere venter spændt på oversvømmelsen af ​​nye data fra sondens instrumenter, men dem, der hjalp med at gøre varmeskjoldet til virkelighed, siger, at spændingen vil være i at se den sidste dukkert i solens atmosfære, syv gange tættere end noget tidligere rumfartøj, sonden i bilstørrelse og dens dyrebare last forsvaret mod solens magt ved deres arbejde.

Men syv år er lang tid at vente på en sidste test af succes, så lanceringen skal gøre for nu.

"This was highly challenging, " says Dajie Zhang, a senior staff scientist in APL's Research and Exploratory Development Department who worked on the TPS coating. "It makes me feel much better coming into work every day. The solar probe's success showed me I can do it, and our team can do it."