12 sierpnia, godzina 15:31 czasu pekińskiego, detektor Słońca Historic Park (sonda Parker Solar Probe) w bazie sił powietrznych Cape Canaveral, wystartował z rakietami Delta 4 Heavy. Po 43 minutach lotu, mimo że spodziewano się utraty trzeciego stopnia ekscytującej chwili, na szczęście nie doszło do żadnych niebezpiecznych sytuacji, detektor Parker pomyślnie oddzielił się od rakiety, rozpoczynając długą drogę do Słońca i tym samym otwierając nową drogę do ludzkiej eksploracji Słońca!
Detektor słoneczny
Miejsce startu
Aby ustanowić rekord świata w dotarciu do najbliższego punktu na Słońcu, ludzie muszą znaleźć materiały odporne na bezprecedensowe, ultrawysokie temperatury. Można powiedzieć, że bez systemu ochrony termicznej (TPS) nie ma Parkera. Zgodnie z planem, Parker będzie się znajdował 6,11 miliona km od powierzchni Słońca. Aby dostosować się do tego ekstremalnie gorącego środowiska, detektor będzie wyposażony w kompozytową osłonę termiczną, a kopuła będzie odporna na oślepiające światło słoneczne. Osłona termiczna nie mogłaby powstać 10 lat temu.
Jeśli jesteś satelitą o powierzchni 1 metra kwadratowego na orbicie okołoziemskiej, a energia słoneczna musi do ciebie dotrzeć z mocą około 1350 watów, Parker znajduje się około 25 razy bliżej niż ta pozycja, co daje około 850 000 watów ciepła na metr kwadratowy. Jeśli policzymy ten obszar, sonda słoneczna Parkera musi wytrzymać około 3 milionów watów energii. Osłona termiczna detektora jest również znana jako system ochrony termicznej (TPS) i składa się z dwóch warstw kompozytu wzmocnionego węglem oraz pianki węglowej z pośrednim zaciskiem o długości około 4,5 cala (11,43 cm). Osłona termiczna zwrócona w stronę słońca ma również specjalną białą powłokę, aby odbijać energię słoneczną w jak największym stopniu. Materiał ten jest odporny na temperaturę 2500 stopni Fahrenheita (około 1371°C) i zapewnia działanie instrumentu w temperaturze około 85 stopni Fahrenheita (około 30°C).
„Jeśli to zadanie było realizowane w latach 60. i 70., to nawet jeśli zostało wdrożone w latach 80., możliwe jest latanie z użyciem metali o wysokiej odporności termicznej” – powiedział Driesman. „Naukowcy zbudują metalowego Jerdona o bardzo wysokiej temperaturze topnienia, ale nigdy nie wyślą go do nieba, ponieważ metal jest zbyt ciężki. W przeciwieństwie do większości komercyjnych włókien węglowych, ich struktura węglowo-węglowa nie jest polimeryzowana przez utwardzanie żywic, ponieważ utwardzone żywice parują w pobliżu słońca jak olej na rozgrzanej nawierzchni drogi” – powiedział. Aby wykonać osłonę termiczną, NASA wypełnia żywicę „posiekanym włóknem węglowym”, a następnie utwardza żywicę, wypala ją w piecu o temperaturze 3000 stopni i powtarza proces 4 do 5 razy. „W końcu otrzymasz włókno węglowe, które cię otacza. Struktura węglowo-węglowa, o której mówimy, to czysty węgiel, wolny od żywic i innych substancji. „Przednia i tylna strona osłony termicznej są wykonane z tej płyty węglowo-węglowej, która oprócz właściwości izolacyjnych charakteryzuje się bardzo dużą wytrzymałością mechaniczną”. Dwie warstwy arkuszy węglowo-węglowych są na tyle cienkie, że można je zginać, a nawet na siebie nachodzić. Pośrodku dwuwarstwowego materiału węglowo-węglowego znajduje się warstwa pianki węglowej o grubości około 11,5 cm, która jest obecnie powszechnie stosowana w przemyśle medycznym do tworzenia alternatywnych kości. Konstrukcja warstwowa podtrzymuje całą konstrukcję – podobnie jak tektura falista – która waży zaledwie 73 kg (160 funtów) dla całej osłony termicznej o grubości 2,4 metra.
Pianka jest również najważniejszą strukturą izolacji termicznej. Jednak 97% pęcherzyka węglowego stanowi powietrze, co dodatkowo zmniejsza wagę sond kosmicznych. Sam węgiel jest przewodnikiem ciepła, a struktura pianki sprawia, że nie ma potrzeby przekazywania dużej ilości ciepła. Pęcherzyki nie są łatwe do testowania, są niezwykle kruche. Jest jednak jeszcze jeden problem. „Kiedy się nagrzeją, palą się”. „Powiedział Abel. Spalanie nie stanowi dużego problemu w próżni, ale pozostałe powietrze w teście spowoduje, że pęcherzyki zamienią się w węgiel drzewny. Dlatego inżynierowie z National Oak Ridge Laboratory, używając lamp łuku plazmowego o wysokiej temperaturze, testują osłonę termiczną tych pianek węglowych pod kątem odporności na wysokie temperatury. Sama izolacja termiczna tych pianek węglowych nie jest wystarczająca, aby zagwarantować, że detektory będą działać w wymaganej temperaturze. Ponieważ w przestrzeni kosmicznej nie ma rozpraszania powietrza, jedynym sposobem na rozproszenie ciepła jest rozpraszanie światła i emisja ciepła w postaci fotonów. Dlatego potrzebna jest kolejna warstwa ochronna: biała warstwa ochronna odbijająca ciepło i światło.
Schemat budowy osłony termicznej detektora słonecznego Parker
W tym celu Laboratorium Fizyki Stosowanej Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa oraz Laboratorium Zaawansowanych Technologii w Whiting School of Engineering (Laboratorium Zaawansowanych Technologii w Whiting School Engineering na Uniwersytecie Johnsa Hopkinsa) utworzyło zespół ekspertów ds. superluksusowych powłok termoizolacyjnych, którego badania obejmują ceramikę wysokotemperaturową, powłoki chemiczne i natryskiwane plazmą. Po dalszych testach zespół ostatecznie wybrał białą warstwę ochronną na bazie tlenku glinu. Jednak warstwa ochronna zszarzeje w środowisku o wysokiej temperaturze z reakcją węglową, więc inżynierowie dodali warstwę wolframu na środku, cieńszą od włosa, i pokryli nią osłonę termiczną i białą osłonę, aby zapobiec interakcji między tymi dwiema warstwami. Dodają również nanodomieszkę, aby osłony były bielsze i zapobiegały rozszerzalności cieplnej cząstek tlenku glinu. Dennis Nagle, główny inżynier badawczy w Centrum Nauki i Inżynierii Systemów, powiedział, że zazwyczaj w przypadku ceramiki preferowana jest sztywna, porowata powłoka, ale materiał pęka pod wpływem uderzenia młotkiem. W temperaturze, w jakiej pracuje Parker, gładka powłoka pęka jak okno uderzone kamieniem. Dlatego nawet porowate powłoki są w stanie wytrzymać to ekstremalne środowisko. Kiedy w porowatych powłokach pojawiają się pęknięcia, zatrzymują się one, gdy docierają do porów. Powłoka składa się z kilku gruboziarnistych warstw – wystarczająco dużych, aby grupa cząstek ceramicznych mogła odbić brakujące światło z innej warstwy.
Czas publikacji: 15.08.2018