Kelionė į Saulę: kodėl Parker Solar Probe zondas neišsilydo? (Video)

Šioje Saulės atmosferos dalyje, vadinamoje vainiku, PSP atliks beprecedenčius stebėjimus jėgų, skleidžiančių energiją, karštį ir daleles Saulės sistemai ir toli už Neptūno orbitos.

Vainiko viduje, žinoma, neįsivaizduojamai karšta. Zondas skries per medžiagą, kurios temperatūra didesnė, nei 500 000 °C ir nutviekstas intensyvios šviesos.

O kodėl tada zondas neišsilydo?

Parker Solar Probe zondas buvo sukurtas atlaikyti ekstremalias misijos sąlygas ir temperatūrų fluktuacijas. Svarbiausią apsaugą teikia specialiai sukurtas karščio skydas ir autonominė sistema, sauganti misiją nuo intensyvaus Saulės spinduliavimo, bet leidžianti vainiko medžiagai „paliesti“ zondą.

Kodėl zondas neišsilydo

Norint suprasti, kodėl zondas ir jo instrumentai akimirksniu neišgaruoja, reikia suprasti šilumos ir temperatūros koncepcijas ir jų skirtumus. Aukšta temperatūra nebūtinai reiškia kito objekto įkaitinimą.

NASA Parker Solar Probe lekia link Saulės. Kaip zondas neišsilydo? Šiluminės apsaugos sistemos inžinierė Betsy Congdon (Johns Hopkins APL) paaiškina, kaip PSP ištveria karštį.
NASA's Goddard Space Flight Center

Kosmose temperatūra gali siekti tūkstančius laipsnių, nors ten esantys objektai bent kiek žymiau gali neįkaisti. Kaip taip gali būti? Temperatūra yra dalelių greičio matas, tuo tarpu šiluma rodo jų perduodamos energijos kiekį. Dalelės gali skrieti labai greitai (temperatūra aukšta), bet jeigu dalelių labai mažai, jos neperduoda daug energijos (mažai kaitina). Kadangi kosmosas iš esmės tuščias, zondui energiją perduoda labai nedaug dalelių.

Pavyzdžiui, vainiko, per kurį PSP skries, temperatūra itin aukšta, bet joje esančios medžiagos tankis itin mažas. Palyginkite rankos įkišimą įkaitusion orkaitėn, ir įkišimą į verdančio vandens puodą (nebandykite to namie!) — orkaitėje ranką išlaikysite daug ilgiau ir daug aukštesnėje temperatūroje, nei vandenyje, nes jame rankai energiją perduoda daug daugiau dalelių. Taip ir Saulės vainikas, palyginus su paviršiumi, yra daug retesnis, tad zondą veikia mažiau karštų dalelių ir karščio jis gauna mažiau.

Todėl, nors PSP skries per kosmosą, kuriame temperatūra siekia milijonus laipsnių, į Saulę atgręžtas karščio skydas įkais tik iki ~1 400 °C).

Jį saugantis skydas

Žinoma, pusantro tūkstančio laipsnių temperatūrą irgi būtų sunku pavadinti vasarošilte. (Palyginimui, ugnikalniai spjaudosi 700–1 200 °C lava. Nuo šio karščio PSP saugo šiluminis skydas – 2,4 m diametro ir 115 mm storio Terminės apsaugos sistema (TPS). Ši apsauga kitoje skydo pusėje palaikys komfortišką 30 °C temperatūrą).

TPS buvo sukurta Johns Hopkins Taikomosios fizikos laboratorijoje, o ją pagamino Carbon-Carbon Advanced Technologies, naudodama anglies kompozitines putas tarp dviejų anglies plokščių. Šią lengvą izoliaciją iš nukreiptos į Saulę pusę dengia balti keraminiai dažai, kad kuo daugiau šilumos būtų atspindima. Išbandyta 1 650 °C temperatūroje, TPS pakels Saulės siunčiamą karštį ir apsaugos praktiškai visus instrumentus.

Betsy Congdon iš Johns Hopkins Taikomosios fizikos laboratorijos yra NASA Parker Space Probe zondą nuo Saulės karščio saugosiančio apsauginio šilumos skydo vyr. inžinierė. Skydas toks efektyvus, kad Congdon kaitinamas dujiniu degikliu iš vienos pusės, kitoje lieka vėsus ir galima nesibaiminant jį liesti ranka.
NASA's Goddard Space Flight Center

Vėjamatis

Bet ne visi Solar Parker Probe instrumentai slėpsis už TPS.

Iš už SPS karščio skydo kyšosiantis Solar Probe Cup bus vienas iš dviejų instrumentų, kurio skydas nesaugos. Šis instrumentas yra vadinamasis Faradėjaus indas, jutiklis jonų ir elektronų stiprio ir krypties nustatymui saulės vėjyje. Kadangi Saulės atmosferos intensyvumas itin aukštas, reikėjo sukurti unikalias technologijas, kurios užtikrintų ne tik instrumento, bet ir tikslius duomenis siunčiančios elektronikos išlikimą.

Pats indas pagamintas iš titano, cirkonio ir molibdeno lydinio (lyd. temp. 2 349 °C). Elektrinį lauką Solar Probe Cup kuriantys lustai pagaminti iš volframo, metalo, turinčio aukščiausią lydymosi temperatūrą (3 422 °C). Paprastai tokiuose lustuose tinklelio linijos išdeginamos lazeriais — tačiau dėl aukštos lydymosi temperatūros šiuo atveju juos reikėjo ėsdinti rūgštimi.

Kitas iššūkis buvo elektros instaliacija — dauguma nuo karščio išsilydytų. Komanda šią problemą išsprendė, laidų laikiklius pagaminusi išaugintais safyrų kristalo vamzdeliais, o pati viela pagaminta iš niobio.

Siekdami patikrinti instrumento atsparumą, tyrėjai turėjo atkartoti Saulės karštį laboratorijoje. Tam jie panaudojo dalelių greitintuvą ir specialiai pritaikytus aukštesnės temperatūros sukūrimui IMAX projektorius. Projektoriai atkartojo Saulės karštį, o dalelių greitintuvas indą švitino radiacija, kad būtų įsitikinta, jog prietaisas daleles fiksuoja tiksliai netgi tokiomis sąlygomis. O kad būtų visiškai aišku, ar Solar Probe Cup tokią nedraugišką aplinką atlaikys, buvo panaudota Odeillo Solar Furnace — kuriame Saulės šviesa į vieną tašką koncentruojama 10 000 pritaikomų veidrodžių.

Solar Probe Cup bandymą atlaikė ir kuo ilgiau buvo bandymų aplinkoje, tuo aiškesnius rezultatus teikė. „Manome, spinduliavimas pašalino bet kokius potencialius teršalus,“ sakė SWEAP instruments Mičigano universitete Ann Arbore vyr. tyrėjas Justinas Kasperis. „Iš esmės, jis apsivalė save.“

Save vėsinantis zondas

Nuo karščio PSP saugos ir dar kelios technologijos. Energiją aparatui tiekiantys fotovoltiniai skydeliai be apsaugos gali perkaisti. Kiekvieno prisiartinimo prie Saulės metu, elementai pasislepia karščio skydo šešėlyje taip, intensyvūs Saulės spinduliai apšviestų tik mažą segmentą.

Tačiau taip arti Saulės reikia daugiau apsaugos. Elementų aušinimo sistema stulbinamai paprasta: šildoma talpa, sauganti šaldalą nuo užšalimo skrydžio metu, du radiatoriai, aliuminio skydeliai didesniam aušinimo paviršiui ir cirkuliacinė pompa. Aušinimo sistemos galingumo pakaktų vidutinio dydžio gyvenamajam kambariui, ir jis palaikys aparato ir instrumentų darbinę temperatūrą Saulės karštyje.

Sistemos šaldalas bus 3,7 litrai dejonizuoto vandens. Nors pilna cheminių šaldalų, labai nedaug gali prilygti vandeniui ir veikti 10 °C – 125 °C temperatūrų diapazone. Kad vanduo neužvirtų, sistemoje jis bus slėgis, nukelsiantis virimo tašką virš 125 °C).

Dar viena apsaugos problema – komunikacija su zondu. Didžiąją kelionės dalį PSP turės manytis pats – signalo kelionė iš zondo ir atgal truktų daugiau nei 15 minučių, tad, jei kas nors nutiktų, klaidą taisyti jau gali būti per vėlu.

Tad, zondas sukurtas taip, kad saugotųsi ir išlaikytų skrydžio į Saulę trajektoriją. Keli pusės išmaniojo telefono dydžio jutikliai pritvirtinti prie zondo išilgai karščio skydo metamo šešėlio. Bet kuriam užfiksavus Saulės šviesą, perspėjamas centrinis kompiuteris ir zondas gali pakoreguoti savo poziciją, kad jutikliai ir kiti instrumentai liktų saugūs. Visa tai turi vykti be žmogaus įsikišimo, tad centrinio kompiuterio programinė įranga buvo suprogramuota ir nuodugniai patikrinta, kad skrendant būtų galima atlikti visas reikalingas korekcijas.

Link Saulės

Po paleidimo PSP zondas nustatys Saulės padėtį, nukreips į ją šiluminį skydą ir tęs kelionę tris mėnesius, saugodamasis Saulės karščio ir kosmoso vakuumo šalčio.

Per planuojamus septynis misijos veikimo metus zondas apie mūsų žvaigždę apsisuks 24 kartus. Kiekvieno priartėjimo metu jis paims Saulės vėjo pavyzdžius, tirs Saulės vainiką, ir pateiks neregėtai artimus mūsų žvaigždės vaizdus — ir visą tą laiką jam išlaikyti šaltą protą padės įvairios inovatyvios technologijos.