कार्बन फाइबर ने नासा के महाकाव्य प्रक्षेपण मिशन को बढ़ावा दिया

बीजिंग समयानुसार, 12 अगस्त को दोपहर 3:31 बजे, केप कैनावेरल एयर फ़ोर्स बेस पर ऐतिहासिक पार्क सन डिटेक्टर (पार्कर सोलर प्रोब) को डेल्टा 4 भारी रॉकेटों द्वारा SLC-37B के साथ प्रक्षेपित किया गया। 43 मिनट की उड़ान के बाद, हालाँकि इस अवधि में एक तिहाई स्तर का संदिग्ध नुकसान हुआ, लेकिन सौभाग्य से, यह एक बेहद नज़दीकी चूक थी। पार्कर डिटेक्टर रॉकेट से सफलतापूर्वक अलग हो गया और सूर्य की ओर जाने वाले लंबे रास्ते पर कदम रख दिया, और इस प्रकार सूर्य के मानव अन्वेषण की एक नई यात्रा शुरू हो गई!

सूर्य डिटेक्टर

प्रक्षेपण स्थल

सूर्य के सबसे नज़दीकी स्थान तक पहुँचने का विश्व रिकॉर्ड बनाने के लिए, लोगों को ऐसी सामग्री ढूँढनी होगी जो अभूतपूर्व स्तर के अति-उच्च तापमान को झेल सके। यह कहा जा सकता है कि अगर थर्मल प्रोटेक्शन सिस्टम (TPS) नहीं है, तो पार्कर भी नहीं है। योजना के अनुसार, पार्कर सूर्य की सतह से 40 लाख मील (61.1 लाख किलोमीटर) की दूरी से प्रवेश करेगा। इस अत्यधिक गर्म वातावरण के अनुकूल होने के लिए, डिटेक्टर एक समग्र हीट शील्ड ले जाएगा, जिसका गुंबद सूर्य की चकाचौंध को झेल सकेगा। यह हीट शील्ड 10 साल पहले नहीं बनाई जा सकती थी।

यदि आप पृथ्वी की कक्षा में 1 वर्ग मीटर का उपग्रह हैं, और सूर्य की ऊर्जा आप तक पहुँचने के लिए लगभग 1350 वाट है, लेकिन पार्कर इस स्थिति से लगभग 25 गुना करीब है, जो प्रति वर्ग मीटर लगभग 850,000 वाट ऊष्मा है। यदि क्षेत्र की गणना की जाती है, तो पार्कर की सौर जांच को लगभग 3 मिलियन वाट ऊर्जा का सामना करना होगा। डिटेक्टर की हीट शील्ड को थर्मल प्रोटेक्शन सिस्टम (TPS) के रूप में भी जाना जाता है, जिसमें दो कार्बन-वर्धित समग्र परतें और लगभग 4.5 इंच (11.43 सेमी) के मध्यवर्ती क्लैंप के साथ एक कार्बन फोम होता है। सूर्य के सामने वाले हीट शील्ड में सूर्य से ऊर्जा को यथासंभव प्रतिबिंबित करने के लिए एक विशेष सफेद कोटिंग भी होती है।

"अगर यह काम 60 से 70 के दशक में किया गया होता, तो 80 के दशक में भी, उच्च ताप-प्रतिरोधी धातुओं को उड़ाना संभव है," ड्रिसमैन ने कहा। "वैज्ञानिक एक बहुत ही उच्च गलनांक वाली धातु जेरडॉन बनाएंगे, लेकिन उसे कभी स्वर्ग नहीं भेजेंगे, क्योंकि यह धातु बहुत भारी होती है।" उन्होंने कहा, "ज़्यादातर व्यावसायिक कार्बन फाइबर के विपरीत, इनकी कार्बन-कार्बन संरचना कठोर रेजिन द्वारा बहुलकीकृत नहीं होती क्योंकि कठोर रेजिन सूर्य के पास गर्म सड़क की सतह पर तेल की तरह वाष्पित हो जाते हैं।" हीट शील्ड बनाने के लिए, नासा रेजिन में "कटे हुए कार्बन फाइबर" भरता है, फिर रेजिन को कठोर करता है, उसे 3,000 डिग्री के ओवन में पकाता है, और इस प्रक्रिया को 4 से 5 बार दोहराता है। "आखिरकार आपको वह कार्बन फाइबर मिल जाएगा जो आपके चारों ओर लिपटा हुआ है। हम जिस कार्बन-कार्बन संरचना की बात कर रहे हैं, वह शुद्ध कार्बन है, जिसमें रेजिन और अन्य पदार्थ नहीं होते।" थर्मल शील्ड के आगे और पीछे के हिस्से इस कार्बन-कार्बन प्लेट से बने हैं, जो इंसुलेट होने के साथ-साथ बेहद मज़बूत यांत्रिक शक्ति भी रखती है। कार्बन-कार्बन शीट की दो परतें इतनी पतली हैं कि वे मुड़ सकती हैं और एक-दूसरे पर ओवरलैप भी हो सकती हैं। दो परतों वाली कार्बन-कार्बन सामग्री के बीच में, लगभग 4.5 इंच कार्बन फोम की एक परत होती है, जिसका इस्तेमाल अब आमतौर पर चिकित्सा उद्योग में वैकल्पिक हड्डियाँ बनाने के लिए किया जाता है। सैंडविच डिज़ाइन पूरी संरचना को सहारा देता है—जैसे नालीदार कार्डबोर्ड—जिसका वज़न पूरे 8 फुट मोटे हीट शील्ड के लिए सिर्फ़ 160 पाउंड (करीब 73 किलो) है।

फोम थर्मल शील्ड इन्सुलेशन फ़ंक्शन की सबसे महत्वपूर्ण संरचना भी है। लेकिन कार्बन बुलबुले का 97% हिस्सा हवा है, ताकि अंतरिक्ष जांच के वजन को और कम किया जा सके। कार्बन स्वयं ऊष्मा चालक होता है, और फोम संरचना का अर्थ यह भी है कि इतनी अधिक ऊष्मा संचारित नहीं होती। बुलबुलों का परीक्षण करना आसान नहीं है, वे बेहद भंगुर होते हैं। लेकिन एक और समस्या है। "जब वे गर्म होते हैं, तो वे जल जाते हैं।" एबेल ने कहा। निर्वात में जलना कोई बड़ी समस्या नहीं है, लेकिन परीक्षण में बची हुई हवा बुलबुलों को जलाकर कोयला बना देगी। इसलिए, नेशनल ओक रिज लेबोरेटरी के इंजीनियरों ने इन कार्बन फोम के उच्च तापमान प्रतिरोधी हीट शील्ड का परीक्षण करने के लिए उच्च तापमान वाले प्लाज्मा आर्क लैंप का उपयोग किया। इन कार्बन फोम का थर्मल इन्सुलेशन अकेले यह गारंटी देने के लिए पर्याप्त नहीं है कि डिटेक्टर आवश्यक तापमान पर काम करेंगे। चूँकि अंतरिक्ष में वायु का अपव्यय नहीं होता है, इसलिए ऊष्मा अपव्यय का एकमात्र तरीका प्रकाश को बिखेरना और फोटॉन के रूप में ऊष्मा उत्सर्जित करना है। इसलिए, एक और सुरक्षात्मक परत की आवश्यकता होती है: ऊष्मा और प्रकाश को परावर्तित करने के लिए एक सफेद सुरक्षात्मक परत का उपयोग किया जाता है।

पार्कर सौर डिटेक्टर थर्मल शील्ड संरचना योजनाबद्ध आरेख

इस उद्देश्य से, जॉन्स हॉपकिन्स विश्वविद्यालय की अनुप्रयुक्त भौतिकी प्रयोगशाला और व्हिटिंग स्कूल ऑफ़ इंजीनियरिंग की उन्नत प्रौद्योगिकी प्रयोगशाला (एडवांस्ड टेक्नोलॉजी लैबोरेटरी इन जॉन्स हॉपकिन्स यूनिवर्सिटी'स व्हिटिंग स्कूल ऑफ़ इंजीनियरिंग) ने थर्मल इंसुलेटिंग कोटिंग्स के क्षेत्र में विशेषज्ञों की एक टीम बनाई है, जिसमें उच्च तापमान वाले सिरेमिक, रासायनिक और प्लाज्मा स्प्रेइंग कोटिंग्स पर शोध शामिल है। आगे के परीक्षणों के बाद, टीम ने अंततः एल्यूमिना पर आधारित सुरक्षा की सफेद परत को चुना। लेकिन कार्बन अभिक्रिया वाले उच्च तापमान वाले वातावरण में सुरक्षात्मक परत धूसर हो जाती, इसलिए इंजीनियरों ने बीच में टंगस्टन की एक परत लगाई, जो बालों से भी पतली थी, और हीट शील्ड और सफेद शील्ड के बीच में कोटिंग की ताकि दोनों परतों के बीच परस्पर क्रिया को रोका जा सके। उन्होंने शील्ड को और अधिक सफेद बनाने और एल्यूमिना कणों के तापीय विस्तार को रोकने के लिए एक नैनो-डोपिंग एजेंट भी मिलाया। सेंटर फॉर सिस्टम्स साइंस एंड इंजीनियरिंग के मुख्य अनुसंधान इंजीनियर डेनिस नागले ने कहा कि आमतौर पर सिरेमिक का उपयोग करते समय, एक कठोर, छिद्रपूर्ण कोटिंग को प्राथमिकता दी जाती है, लेकिन हथौड़े से मारने पर यह सामग्री टूट जाती है। पार्कर जिस तापमान का सामना करता है, उस पर चिकनी कोटिंग पत्थर से टकराई खिड़की की तरह टूट जाती है। इसलिए, छिद्रयुक्त कोटिंग भी इस चरम वातावरण का सामना कर सकती है। जब छिद्रयुक्त कोटिंग में दरारें आती हैं, तो वे छिद्रों तक पहुँचते ही रुक जाती हैं। कोटिंग में कई मोटे दानेदार परतें होती हैं - इतनी कि सिरेमिक कणों का एक समूह दूसरी परत से गायब प्रकाश को परावर्तित कर सके।