Путешествие к Солнцу: почему солнечный зонд «Паркер» не расплавится?

Этим летом NASA отправит солнечный зонд «Паркер» (Parker Solar Probe) к Солнцу и тот проникнет глубоко в атмосферу светила, глубже чем любая миссия до него. Если бы Земля была на одном конце метровой палки, а Солнце на другом, солнечный зонд подойдет на десять сантиметров к поверхности звезды. Оказавшись в этой части солнечной атмосфере, известной как корона, Parker Solar Probe предоставит беспрецедентные наблюдения того, что управляет всеми этими частицами, энергией и теплом, курсирующими в короне, и запускает это через всю Солнечную систему, далеко за пределы Нептуна.

В короне, конечно, невообразимо жарко. Космический аппарат будет путешествовать через материал с температурой более миллиона градусов по Фаренгейту под непрерывной бомбардировкой интенсивного солнечного света.

Почему же Parker Solar Probe не расплавится?

Чтобы понять, что поддерживает космический аппарат и его инструменты в безопасности, нужно понять концепцию отношений тепла и температуры. Дело в том, что высокие температуры не всегда переходят в фактическое нагревание другого объекта.

В космосе температура может быть тысячи градусов, но конкретный объект не будет нагреваться, жары не почувствуется. Почему? Температура определяется скоростью движения частиц, тогда как тепло измеряется общим количеством энергии, которую они переносят. Частицы могут двигаться быстро (высокая температура), но если их будет немного, то и энергии будет немного (мало тепла). Поскольку космос по большей части пустой, очень немногие частицы могут передать энергию аппарату.

Корона, через которую летит зонд «Паркер», например, обладает чрезвычайно высокой температурой, но очень низкой плотностью. Подумайте о разнице между тем, как засунуть руку в горячую духовку и засунуть ее в кастрюлю с кипящей водой (только не делайте этого) — в печи ваша рука может выдержать гораздо более высокую температуру на протяжении длительного времени, чем в воде, где ей придется взаимодействовать с огромным количеством частиц. Аналогичным образом, если сравнивать с видимой поверхностью Солнца, корона менее плотная, поэтому космический аппарат взаимодействут с меньшим количество горячих частиц и сильно не нагревается.

Это значит, что хотя «Паркер» будет двигаться через космос при температурах в несколько миллионов градусов, поверхность теплового щита, которая направлена на Солнце, будет нагреваться всего до 2500 градусов по Фаренгейту (это 1400 градусов по Цельсию).

Защитный щит

Конечно, несколько тысяч градусов — это все еще фантастически горячо. (Для сравнения, лава от вулканического извержения может быть температурой от 700 до 1200 градусов). И чтобы выдержать это тепло, зонду «Паркер» нужен тепловой щит под названием Thermal Protection System (TPS), 2,4 метра в диаметре и 115 миллиметров толщиной. Эти несколько дюймов защиты означают, что только одна сторона щита, где находится корпус аппарата, будет в комфортной температуре 30 градусов.

TPS был разработан Лабораторией прикладной физики Джона Хопкинса и построен Carbon-Carbon Advanced Technologies, которые взяли углеродную композитную пену и зажали между двумя углеродными пластинами. Эта легковесная изоляция будет сопровождаться напылением белой керамическо краски на солнечной стороне, чтобы отражать тепло по максимуму. Испытания показали, что щит способен выдержать температуру в 1650 градусов и оградить приборы от любого тепла, посылаемого Солнцем.

Измерение ветра при помощи чаши

Не все инструменты «Паркера» будут за щитом TPS.

Чуть выше теплового щита находится Solar Probe Cup — один из двух инструментов «Паркера», не защищенных тепловым щитом. Этот инструмент известен как чаша (или коллектор) Фарадея, датчик для измерения вспышек ионов и электронов и углов потоков солнечного ветра. Из-за интенсивности солнечной атмосферы необходимы уникальные технологии, которые гарантируют, что инструмент не только переживет полет, но и сможет отправить точные данные обратно.

Сама чаша изготовлена из титан-цирконий-молибденовых пластин, молибденового сплава с точкой плавления 2349 градусов Цельсия. Чипы, производящие электрическое поле для «Паркера», сделаны из вольфрама, металла с наивысшей точкой плавления (3422 градуса). Обычно для травления линий сетки в этих чипах используются лазеры, однако из-за высокой температуры плавления использовалась кислота.

Другая проблема пришла в форме электронных кабелей — большинство кабелей расплавились бы при воздействии теплового излучения на такой близости к Солнцу. Для решения этой проблемы инженеры вырастили трубочки из сапфировых кристаллов, чтобы замкнуть провода, и сделали сами провода из ниобия.

Чтобы убедиться, что инструмент готов к суровой среде, ученым нужно было имитировать интенсивное тепловое излучение солнца в лаборатории. Чтобы создать достойный уровень тепла, ученые использовали ускоритель частиц и прожекторы IMAX. Прожекторы имитировали тепло солнца, а ускоритель частиц облучал чашу. Чтобы точно убедиться, что чаша «Паркера» сможет выдержать суровые условия, использовалась Одейлийская солнечная печь, крупнейшая в мире, которая концентрирует тепло солнца при помощи 10 000 настраиваемых зеркал.

Солнечный зонд «Паркер» прошел испытания на ура — в действительности, он работал тем лучше и тем более четкие результаты выдавал, чем больше подвергался воздействию испытательной среды. «Мы думаем, что излучение устранило любые возможные загрязнения», говорит Жюстин Каспер, исследователь инструментов SWEAP. «Он по сути самоочистился».

Возле солнца в прохладе

Несколько других конструкций на космическом аппарата поддерживают Parker Solar Probe защищенным от тепла. Без защиты солнечные панели — которые используют энергию самой звезды для питания аппарата — могут перегреться. По мере приближения к солнцу, солнечный массив прячется в тень теплового щита, оставляя лишь небольшой сегмент открытым интенсивным лучам солнца.

Но чем ближе к солнцу, тем больше нужно защиты. Массив батарей оснащен удивительно простой системой охлаждения: тепловой бак, который не дает хладагенту замерзнуть во время запуска, два радиатора, которые не дают хладагенту замерзнуть, алюминиевые лопасти для максимизации поверхности охлаждения, насосы для циркуляции хладагента. Система охлаждения достаточно мощная, чтобы охладить небольшую комнату, и будет поддерживать массив солнечных батарей и инструменты холодными и функционирующими даже в тепле Солнца.

Что же это за хладагент? Порядка 3,7 литров деионизированной воды. Хотя существует множество химических хладагентов, диапазон температур, которым будет подвергаться космический аппарат, колеблется между 10 градусами и 125 градусами. Очень немногие жидкости могут обрабатывать такие диапазоны, как вода. Чтобы вода не вскипала на высоком конце температур, она будет находиться под давлением, поэтому температура кипения будет выше 125 градусов.

Другая проблема с защитой любого космического аппарата — выяснить, как с ним общаться. «Паркер» будет по большей части предоставлен сам себе. Для сообщения с Землей свету нужно восемь минут — поэтому инженеры не смогут контролировать аппарат с Земли, если что-то пойдет не так.

Таким образом, космический аппарат должен автономно поддерживать себя в безопасности на пути к солнцу. Несколько датчиков, размером с половину мобильного телефона, будут крепиться к телу космического аппарата по краю тени от теплового экрана. Если какой-либо из этих датчиков обнаружит солнечный свет, он предупредит центральный компьютер и космический аппарат исправит свое положение, чтобы защитить датчики и остальные инструменты. Все это должно произойти без вмешательства человека, поэтому программное обеспечение будет тщательно проверяться, чтобы вносить все корректировки на лету.

Запуск к Солнцу

После запуска «Паркер» определит положение Солнца, выровняет защитный экран и продолжит свое путешествие в течение следующих трех месяцев, приветствуя тепло Солнца и защищаясь от холодного вакуума космоса.

В течение семи лет запланированной продолжительности полета космический аппарат обогнет звезду по орбите 24 раза. При каждом круге он будет приближаться к Солнцу и собирать образцы солнечного ветра, изучать корону и служить глазами для наших ученых.

Источник: vk.com