Това лято NASA ще изведе в космоса новата слънчева сонда Паркър, която ще се приближи много близко до Слънцето. Ако си представим, че Земята и Слънцето са на разстояние 1 метър, то сондата трябва да се приближи до нашата звезда на разстояние едва 4 сантиметра.

Това ще й позволи да проникне в слънчевата атмосфера, позната като корона. По този начин ще бъдат осигурени безпрецедентни наблюдения на процесите, задвижващи широкия спектър частици от този регион, изхвърляни в цялата Слънчева система.

В слънчевата корона е невъобразимо горещо. Космическият кораб ще се придвижва във вещество с температура над един милион градуса по Целзий при постоянна бомбардировка с интензивна слънчева светлина.

И все пак, защо космическата сонда няма просто да се изпари в тези условия? Паркър е проектиран да издържа екстремални условия и промени на температурата по време на цялата мисия. Ключов момент е неговият специален топлинен екран и автономната система, защитаваща кораба от интензивното излъчване на Слънцето. Но едновременно с това, Паркър ще може да докосне слънчевата корона.

На острието на науката

Един от ключовите моменти за разбирането на защитата на космическия апарат и неговите сонди е разбирането на концепцията за топлина и температура. Може да изглежда малко противоестествено, но високите температури не винаги водят до високото нагряване на обектите.

В космоса температурата може да бъде хиляди градуси, но обектът да не получи много топлина и да не се нагрее. Температурата показва, колко бързо се движат частиците, а топлината е общото количество енергия, която те предават. Частиците могат да се движат бързо (висока температура), но ако те са твърде малко, няма как да бъде обменена много енергия (топлината ще бъде малко). Космическото пространство в по-голямата си част е пусто и има твърде малко частици, които да предадат енергията си на космическия апарат и да го нагреят.

Короната, през която ще премине космическият кораб Паркър, има изключително висока температура, но ниска плътност. Короната на Слънцето съвсем не е толкова плътна, колкото неговата видима повърхност и слънчевата сонда ще взаимодейства с малък брой горещи частици и ще получи сравнително малко топлина.

Ето защо, когато Паркър преминава през пространство с температура няколко милиона градуса, повърхността на специалния топлинен екран, ще се нагрее само до 1400 градуса по Целзий, а тази температура могат да издържат някои вещества, оставайки при това в твърда форма.

Топлинният щит ще запази слънчевата сонда

Разбира се, хиляда градуса по Целзий, все още е много горещо. За сравнение, лавата при изригването на вулкан е с температура от 700 до 1200 градуса по Целзий. За да издържи това нагряване, сондата използва топлинния екран Thermal Protection System – TPS. Диаметърът на топлинния щит е 2,4 метра, а дебелината – около 115 милиметра. Само десет сантиметра специално вещество запазват температурата на корпуса на космическия кораб на ниво на комфортните 30 градуса по Целзий.

TPS е разработен от лабораторията по приложна физика Джон Хопкинс и е построен в Carbon-Carbon Advanced Technologies. Конструкцията на щита се състои от въглеродни пластини, между които е излята композитна пяна. Щитът е много лек, а страната, обърната към Слънцето има керамично покритие, нанесено чрез вакуумно разпрашване. Тестовете показаха, че топлинният екран издържа до 165 градуса и добре защитава всички прибори.

Чашата, която ще измери слънчевия вятър

Не всички прибори на Паркър ще бъда скрити зад топлинния щит. Извън него ще излиза чашата на слънчевата сонда (Solar Probe Cup). Това е единият от двата прибора, които не са защитени от топлинния екран. Този уред, известен и като цилиндъра на Фарадей е сензор, предназначен за измерване на йонния и електронния потоци на слънчевия вятър. Поради враждебната слънчева атмосфера са разработени уникални технологии, които гарантират, че уредът не само няма да се повреди, но и електрониката на борда на кораба ще може да получава неговите данни.

Самата чаша е направена от татинево-циркон-молибденови пластини с температура на топене около 2349 градуса по Целзий. Чиповете, произвеждащи електрическа енергия за работата на този сензор, са направени от волфрам – един от най-издръжливите на топлина метали с температура на топене 3422 градуса. Заради високите температури, скалата на прибора не е направена с помощта на лазер, а с киселина.

Другият сериозен проблем са проводниците. Нито един кабел не може да издържи и би се разтопил при това близко разстояние до Слънцето. За да се реши този проблемн специалистите са използвали за изолация сапфирни кристални тръбички, в които е поставен проводник от ниобий.

За да се провери, че уредът е готов за суровите условия близо до Слънцето, учените са създали в лабораторни условия интензивното топлинно излъчване. Използвани са ускорител на елементарни частици и проекторите IMAX. По този начин се имитира топлината на Слънцето и потоците частици, които звездата излъчва.

А за да се провери, че Solar Probe Cup ще може да издържи тежките условия, той е поместен в специалната пещ Odeillo, в която се концентрират слънчева топлина от 10 000 регулируеми огледала. Solar Probe Cup без проблем издържа всички тестове.

Космическият кораб, който охлажда себе си

Освен щита, използват се и други технологични решения, които се избягва прегряването. Така например, за избягване на повреда, с приближаването до Слънцето, слънчевите батерии постепенно ще застават в сянката на щита. Накрая ще остане да се показва съвсем малък сегмент от тях.

Това съвсем не е достатъчно. Слънчевите батерии имат собствена система за охлаждане. В сенчестата страна е поставен резервоар с хладилен агент и редица алуминиеви радиатори. Течността циркулира благодарение на инсталираните помпи. Тази охладителна система е достатъчно мощна за да охлажда стая със средни размери и може да поддържа приемливи условия както за слънчевите батерии, така и за останалата електроника.

За хладилен агент се използват около 4 литра дейонизирана вода. Има редица други по-ефективни химически хладилни агенти. Но температурата на космическия апарат ще се променя от 10 до 125 градуса по Целзий и твърде малко течности могат да покрият този диапазон от температури. А за да не може водата да кипне при температури над 100 градуса, тя се намира под налягане и нейната температура на кипене е над 125 градуса по Целзий.

Другият важен проблем е, как да бъде осъществена връзката с подобен космически кораб. Топлинният щит пречи на радиовълните, а сигналът от Слънцето до Земята пътува 8 минути и няма как да се осъществи отдалечено управление на сондата.

Решението е космическият кораб да бъде оставен самостоятелно да се грижи за себе си, когато наближи Слънцето. Централният компютър и използваният софтуер са тествани най-внимателно и специалистите са счели, че всички необходими корекции могат да се осъществяват автоматизирано в реално време.

Изстрелването към Слънцето

След извеждането в космоса Паркър ще регистрира местоположението на Слънцето, ще подготви топлинния екран иоколо три месеца ще лети до нашата звезда, добре защитен от нейното мощно излъчване.


Плановете на мисията са за седем години космическият кораб да направи 24 оборота около Слънцето. При всяко приближаване той ще изследва слънчевия вятър, ще изучава короната на Слънцето и ще регистрира уникални данни за атмосферата на нашата звезда. Учените се надяват, че използването на толкова много най-нови технологии ще запази устройството достатъчно хладно по време на мисията.


Traveling to the sun: Why won’t Parker Solar Probe melt?

0 0 гласа
Оценете статията
Абонирай се
Извести ме за
guest
41 Коментара
стари
нови оценка
Отзиви
Всички коментари