12 สิงหาคม เวลา 15:31 น. ตามเวลาปักกิ่ง เครื่องตรวจจับดวงอาทิตย์ Parker Solar Probe ของ Historic Park ที่ฐานทัพอากาศเคปคานาเวอรัล ได้ถูกปล่อยลงจอดโดยจรวดเดลต้า 4 ลำ หลังจากบินนาน 43 นาที แม้ว่าช่วงเวลาดังกล่าวจะเกิดการสูญเสียที่น่าสงสัยในระดับที่สามจากช่วงเวลาอันน่าตื่นเต้นนี้ แต่โชคดีที่เกือบพลาดเป้า เครื่องตรวจจับ Parker สามารถแยกตัวออกจากจรวดได้สำเร็จ ก้าวเข้าสู่เส้นทางอันยาวไกลสู่ดวงอาทิตย์ และเปิดเส้นทางใหม่แห่งการสำรวจดวงอาทิตย์ของมนุษย์!
เครื่องตรวจจับแสงอาทิตย์
ไซต์เปิดตัว
เพื่อสร้างสถิติโลกในการลงจอดใกล้ดวงอาทิตย์ที่สุด ผู้คนจำเป็นต้องค้นหาวัสดุที่สามารถทนต่ออุณหภูมิที่สูงเป็นพิเศษในระดับที่ไม่เคยมีมาก่อน กล่าวได้ว่าหากไม่มีระบบป้องกันความร้อน (TPS) ก็จะไม่มี Parker ตามแผน Parker จะลงจอดห่างจากพื้นผิวดวงอาทิตย์ 4 ล้านไมล์ (6.11 ล้านกิโลเมตร) เพื่อให้สามารถปรับตัวเข้ากับสภาพแวดล้อมที่ร้อนจัดนี้ เครื่องตรวจจับจะต้องมีแผ่นป้องกันความร้อนแบบคอมโพสิต ส่วนโดมจะต้องทนต่อแสงจ้าจากดวงอาทิตย์ ซึ่งแผ่นป้องกันความร้อนนี้ไม่น่าจะผลิตได้เมื่อ 10 ปีก่อน
หากคุณเป็นดาวเทียมขนาด 1 ตารางเมตรในวงโคจรของโลก และพลังงานจากดวงอาทิตย์อยู่ที่ประมาณ 1,350 วัตต์จึงจะมาถึงคุณ แต่ Parker อยู่ใกล้กว่าตำแหน่งนี้ประมาณ 25 เท่า ซึ่งคิดเป็นความร้อนประมาณ 850,000 วัตต์ต่อตารางเมตร หากนับพื้นที่แล้ว หัววัดแสงอาทิตย์ของ Parker จะต้องทนทานต่อพลังงานประมาณ 3 ล้านวัตต์ แผ่นป้องกันความร้อนของเครื่องตรวจจับนี้เรียกอีกอย่างว่าระบบป้องกันความร้อน (TPS) ซึ่งประกอบด้วยชั้นคอมโพสิตเสริมคาร์บอนสองชั้นและโฟมคาร์บอนพร้อมแคลมป์กลางขนาดประมาณ 4.5 นิ้ว (11.43 ซม.) แผ่นป้องกันความร้อนที่หันเข้าหาดวงอาทิตย์ยังเคลือบด้วยสีขาวพิเศษเพื่อสะท้อนพลังงานจากดวงอาทิตย์ให้ได้มากที่สุด วัสดุนี้ทนทานต่ออุณหภูมิ 2,500 องศาฟาเรนไฮต์ (ประมาณ 1,371 องศาเซลเซียส) และรับประกันว่าเครื่องมือจะทำงานที่อุณหภูมิประมาณ 85 องศาฟาเรนไฮต์ (ประมาณ 30 องศาเซลเซียส)
“หากภารกิจนี้อยู่ในช่วงทศวรรษที่ 60 ถึง 70 แม้ว่าจะใช้งานในช่วงทศวรรษที่ 80 ก็ตาม ก็เป็นไปได้ที่จะนำโลหะที่ทนความร้อนสูงขึ้นบิน” ดรีสแมนกล่าว “นักวิทยาศาสตร์จะสร้างโลหะเจอร์ดอนที่มีจุดหลอมเหลวสูงมาก แต่จะไม่ส่งมันขึ้นสวรรค์ เพราะโลหะนั้นหนักเกินไป” “ต่างจากเส้นใยคาร์บอนเชิงพาณิชย์ส่วนใหญ่ โครงสร้างคาร์บอนต่อคาร์บอนของพวกมันไม่ได้ถูกพอลิเมอร์โดยเรซินที่แข็งตัว เพราะเรซินที่แข็งตัวจะระเหยไปใกล้ดวงอาทิตย์เหมือนน้ำมันบนพื้นผิวถนนที่ร้อน” เขากล่าว ในการสร้างแผ่นกันความร้อน นาซาจะเติมเรซินด้วย “เส้นใยคาร์บอนสับ” จากนั้นจึงทำให้เรซินแข็งตัว อบในเตาอบที่อุณหภูมิ 3,000 องศาฟาเรนไฮต์ และทำซ้ำขั้นตอนนี้ 4 ถึง 5 ครั้ง “ในที่สุดคุณก็จะได้เส้นใยคาร์บอนที่พันรอบตัวคุณ โครงสร้างคาร์บอนต่อคาร์บอนที่เรากำลังพูดถึงคือคาร์บอนบริสุทธิ์ ปราศจากเรซินและสารอื่นๆ” ด้านหน้าและด้านหลังของแผ่นป้องกันความร้อนทำจากแผ่นคาร์บอน-คาร์บอน ซึ่งนอกจากจะเป็นฉนวนแล้วยังมีความแข็งแรงเชิงกลสูงมากอีกด้วย แผ่นคาร์บอน-คาร์บอน 2 ชั้นมีความบางพอที่จะโค้งงอและซ้อนทับกันได้ ตรงกลางของวัสดุคาร์บอน-คาร์บอนสองชั้นมีชั้นโฟมคาร์บอนหนาประมาณ 4.5 นิ้ว ซึ่งปัจจุบันใช้กันทั่วไปในอุตสาหกรรมการแพทย์เพื่อสร้างกระดูกทดแทน การออกแบบแบบแซนด์วิชช่วยค้ำยันโครงสร้างทั้งหมดให้แข็งแรงเหมือนกระดาษลูกฟูก ซึ่งมีน้ำหนักเพียง 160 ปอนด์ (ประมาณ 73 กิโลกรัม) สำหรับแผ่นป้องกันความร้อนหนา 8 ฟุต
โฟมยังเป็นโครงสร้างที่สำคัญที่สุดของฉนวนป้องกันความร้อน แต่ 97% ของฟองคาร์บอนคืออากาศ เพื่อลดน้ำหนักของยานสำรวจอวกาศ คาร์บอนเองสามารถนำความร้อนได้ และโครงสร้างโฟมยังหมายความว่าความร้อนจะถูกถ่ายเทได้ไม่มากนัก ฟองอากาศทดสอบได้ยาก พวกมันเปราะบางมาก แต่มีปัญหาอีกอย่างหนึ่ง “เมื่อพวกมันร้อน พวกมันจะไหม้” เอเบลกล่าว การเผาไหม้ไม่ใช่ปัญหาใหญ่ในสุญญากาศ แต่อากาศที่เหลืออยู่ในการทดสอบจะทำให้ฟองอากาศไหม้เป็นถ่าน ดังนั้น วิศวกรห้องปฏิบัติการแห่งชาติโอ๊คริดจ์จึงใช้หลอดพลาสม่าอาร์กอุณหภูมิสูงเพื่อทดสอบฉนวนป้องกันความร้อนของโฟมคาร์บอนเหล่านี้ ฉนวนกันความร้อนของโฟมคาร์บอนเหล่านี้เพียงอย่างเดียวไม่เพียงพอที่จะรับประกันว่าเครื่องตรวจจับจะทำงานได้ที่อุณหภูมิที่ต้องการ เนื่องจากไม่มีการกระจายตัวของอากาศในอวกาศ วิธีเดียวที่จะระบายความร้อนคือการกระเจิงแสงและปล่อยความร้อนออกมาในรูปของโฟตอน ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีชั้นป้องกันอีกชั้นหนึ่ง นั่นคือการใช้ชั้นป้องกันสีขาวเพื่อสะท้อนความร้อนและแสง
แผนผังโครงสร้างเกราะป้องกันความร้อนของเครื่องตรวจจับพลังงานแสงอาทิตย์ Parker
ด้วยเหตุนี้ ห้องปฏิบัติการฟิสิกส์ประยุกต์ มหาวิทยาลัยจอห์นส์ ฮอปกินส์ และห้องปฏิบัติการเทคโนโลยีขั้นสูงของวิทยาลัยวิศวกรรมศาสตร์ไวท์ติ้ง (ห้องปฏิบัติการเทคโนโลยีขั้นสูงในวิทยาลัยวิศวกรรมศาสตร์ไวท์ติ้ง มหาวิทยาลัยจอห์นส์ ฮอปกินส์) จึงได้จัดตั้งทีมผู้เชี่ยวชาญด้านการเคลือบฉนวนกันความร้อนระดับซูเปอร์ลักชัวรี โดยมีการวิจัยครอบคลุมเซรามิกอุณหภูมิสูง การเคลือบสารเคมี และการเคลือบพลาสมา จากการทดสอบเพิ่มเติม ในที่สุดทีมงานจึงเลือกชั้นป้องกันสีขาวที่ทำจากอะลูมินา แต่ชั้นป้องกันจะกลายเป็นสีเทาในสภาพแวดล้อมอุณหภูมิสูงที่เกิดจากปฏิกิริยาคาร์บอน วิศวกรจึงเติมชั้นทังสเตนลงไปตรงกลาง ซึ่งบางกว่าเส้นผม และเคลือบไว้ระหว่างแผ่นป้องกันความร้อนและแผ่นป้องกันสีขาวเพื่อป้องกันปฏิกิริยาระหว่างชั้นทั้งสอง พวกเขายังเติมสารโดปนาโนเพื่อทำให้แผ่นป้องกันมีสีขาวขึ้นและป้องกันการขยายตัวทางความร้อนของอนุภาคอะลูมินา เดนนิส แนกเกิล หัวหน้าวิศวกรวิจัยประจำศูนย์วิทยาศาสตร์ระบบและวิศวกรรม กล่าวว่า โดยปกติแล้วเมื่อใช้เซรามิก มักจะนิยมใช้วัสดุเคลือบที่มีรูพรุนและแข็ง แต่วัสดุจะแตกเมื่อถูกกระแทกด้วยค้อน ที่อุณหภูมิที่ปาร์กเกอร์เผชิญอยู่ ชั้นเคลือบที่เรียบจะแตกออกราวกับกระจกที่ถูกหินกระทบ ดังนั้น แม้แต่ชั้นเคลือบที่มีรูพรุนก็สามารถทนต่อสภาพแวดล้อมที่รุนแรงเช่นนี้ได้ เมื่อเกิดรอยแตกร้าวในชั้นเคลือบที่มีรูพรุน รอยแตกร้าวจะหยุดลงเมื่อไปถึงรูพรุน ชั้นเคลือบประกอบด้วยชั้นเม็ดหยาบหลายชั้น ซึ่งเพียงพอที่จะทำให้กลุ่มอนุภาคเซรามิกสามารถสะท้อนแสงที่หายไปจากชั้นอื่นได้
เวลาโพสต์: 15 ส.ค. 2561