Vào lúc 15:31 ngày 12 tháng 8, giờ Bắc Kinh, tàu thăm dò Mặt Trời Parker (Parker Solar Probe) tại Căn cứ Không quân Cape Canaveral đã được phóng bằng tên lửa đẩy hạng nặng Delta 4. Sau chuyến bay kéo dài 43 phút, mặc dù giai đoạn này đã trải qua một giai đoạn nghi ngờ mất đi khoảnh khắc hồi hộp thứ ba, nhưng may mắn thay, trong một khoảnh khắc suýt chút nữa, tàu thăm dò Parker đã tách khỏi tên lửa thành công, đặt chân lên con đường dài đến Mặt Trời, và từ đó mở ra hành trình khám phá Mặt Trời mới của con người!
Máy dò mặt trời
Địa điểm phóng
Để lập kỷ lục thế giới về việc tiếp cận điểm gần nhất trong Mặt Trời, con người phải tìm ra vật liệu có thể chịu được mức nhiệt độ cực cao chưa từng có. Có thể nói, nếu không có hệ thống bảo vệ nhiệt (TPS) thì không có Parker. Theo kế hoạch, Parker sẽ đi vào khoảng cách 4 triệu dặm tính từ bề mặt Mặt Trời (6,11 triệu km). Để thích nghi với môi trường cực nóng này, máy dò sẽ được trang bị một tấm chắn nhiệt composite, mái vòm sẽ chịu được ánh sáng chói từ Mặt Trời. Tấm chắn nhiệt này không thể được chế tạo cách đây 10 năm.
Nếu bạn là một vệ tinh có diện tích 1 mét vuông trên quỹ đạo Trái đất, và năng lượng mặt trời cần khoảng 1350 watt để đến được bạn, nhưng Parker gần hơn khoảng 25 lần so với vị trí này, tức là khoảng 850.000 watt nhiệt trên một mét vuông. Nếu tính cả diện tích, đầu dò năng lượng mặt trời của Parker phải chịu được khoảng 3 triệu watt năng lượng. Tấm chắn nhiệt của máy dò còn được gọi là hệ thống bảo vệ nhiệt (TPS), bao gồm hai lớp composite tăng cường carbon và một lớp bọt carbon có kẹp trung gian dài khoảng 4,5 inch (11,43 cm). Tấm chắn nhiệt hướng về phía Mặt trời cũng có lớp phủ màu trắng đặc biệt để phản xạ năng lượng từ mặt trời nhiều nhất có thể. Vật liệu này có khả năng chịu được nhiệt độ 2500 độ F (khoảng 1371 ℃) và đảm bảo thiết bị hoạt động ở nhiệt độ khoảng 85 độ F (khoảng 30 ℃).
"Nếu nhiệm vụ này diễn ra vào những năm 1960 đến 1970, ngay cả khi được triển khai vào những năm 1980, việc sử dụng kim loại chịu nhiệt cao vẫn có thể thực hiện được", Driesman nói. "Các nhà khoa học sẽ chế tạo một chiếc Jerdon bằng kim loại có nhiệt độ nóng chảy rất cao, nhưng không bao giờ đưa nó lên thiên đường, vì kim loại này quá nặng. "Không giống như hầu hết các sợi carbon thương mại, cấu trúc carbon-carbon của chúng không được trùng hợp bằng nhựa cứng vì nhựa cứng bốc hơi gần mặt trời giống như dầu trên mặt đường nóng", ông nói. Để chế tạo tấm chắn nhiệt, NASA đổ "sợi carbon băm nhỏ" vào nhựa, sau đó làm cứng nhựa, nung trong lò ở nhiệt độ 3.000 độ và lặp lại quy trình này 4 đến 5 lần. "Cuối cùng, bạn sẽ có được sợi carbon quấn quanh người. Cấu trúc carbon-carbon mà chúng ta đang nói đến là carbon nguyên chất, không chứa nhựa và các chất khác. Mặt trước và mặt sau của tấm chắn nhiệt được làm bằng tấm carbon-carbon này, ngoài khả năng cách nhiệt, nó còn có độ bền cơ học rất cao." Hai lớp tấm carbon-carbon mỏng đến mức có thể uốn cong và thậm chí chồng lên nhau. Ở giữa hai lớp vật liệu carbon-carbon này là một lớp bọt carbon dày khoảng 11 cm, hiện đang được sử dụng rộng rãi trong ngành y tế để tạo ra xương thay thế. Thiết kế dạng bánh sandwich này nâng đỡ toàn bộ cấu trúc - giống như bìa các tông sóng - chỉ nặng 73 kg (160 pound) cho toàn bộ tấm chắn nhiệt dày 2,4 mét.
Bọt cũng là cấu trúc quan trọng nhất của chức năng cách nhiệt của tấm chắn nhiệt. Tuy nhiên, 97% bọt carbon là không khí, nhằm giảm thêm trọng lượng của các đầu dò không gian. Bản thân carbon có khả năng dẫn nhiệt, và cấu trúc bọt cũng đồng nghĩa với việc không có quá nhiều nhiệt cần truyền đi. Bong bóng không dễ kiểm tra, chúng cực kỳ giòn. Nhưng vẫn còn một vấn đề khác. "Khi nóng lên, chúng sẽ cháy", Abel nói. Cháy không phải là vấn đề lớn trong chân không, nhưng không khí còn sót lại trong quá trình thử nghiệm sẽ khiến các bong bóng cháy xém thành than. Do đó, các kỹ sư của Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge đã sử dụng đèn hồ quang plasma nhiệt độ cao để kiểm tra khả năng chịu nhiệt của tấm chắn nhiệt của bọt carbon này. Chỉ riêng khả năng cách nhiệt của bọt carbon này là không đủ để đảm bảo các máy dò hoạt động ở nhiệt độ yêu cầu. Do không có sự tản nhiệt bằng không khí trong không gian, cách duy nhất để tản nhiệt là tán xạ ánh sáng và phát ra nhiệt dưới dạng photon. Do đó, cần có một lớp bảo vệ khác: một lớp bảo vệ màu trắng được sử dụng để phản xạ nhiệt và ánh sáng.
Sơ đồ cấu trúc tấm chắn nhiệt của máy dò năng lượng mặt trời Parker
Để đạt được mục tiêu này, Phòng thí nghiệm Vật lý Ứng dụng tại Đại học Johns Hopkins và Phòng thí nghiệm Công nghệ Tiên tiến thuộc Khoa Kỹ thuật Whiting (Phòng thí nghiệm Công nghệ Tiên tiến thuộc Khoa Kỹ thuật Whiting thuộc Đại học Johns Hopkins) đã thành lập một nhóm chuyên gia về lớp phủ cách nhiệt siêu sang trọng, với phạm vi nghiên cứu bao quát về gốm chịu nhiệt độ cao, lớp phủ hóa học và phun plasma. Sau khi thử nghiệm thêm, cuối cùng nhóm đã chọn lớp bảo vệ màu trắng dựa trên alumina. Tuy nhiên, lớp bảo vệ sẽ bị xám đi trong môi trường nhiệt độ cao do phản ứng cacbon, vì vậy các kỹ sư đã thêm một lớp vonfram vào giữa, mỏng hơn cả sợi tóc, và được phủ giữa lớp chắn nhiệt và lớp chắn màu trắng để ngăn chặn sự tương tác giữa hai lớp. Họ cũng bổ sung một tác nhân nano-doping để làm cho lớp chắn trắng hơn và ngăn chặn sự giãn nở nhiệt của các hạt alumina. Dennis Nagle, kỹ sư nghiên cứu chính tại Trung tâm Khoa học Hệ thống và Kỹ thuật, cho biết thông thường khi sử dụng gốm, lớp phủ cứng, xốp được ưa chuộng, nhưng vật liệu này sẽ vỡ khi bị đập bằng búa. Ở nhiệt độ mà Parker phải đối mặt, lớp phủ mịn sẽ vỡ như cửa sổ bị đá đập. Do đó, ngay cả lớp phủ xốp cũng có thể chịu được môi trường khắc nghiệt này. Khi xuất hiện vết nứt trên lớp phủ xốp, các vết nứt sẽ dừng lại khi chạm đến các lỗ rỗng. Lớp phủ bao gồm nhiều lớp hạt thô - đủ để một nhóm các hạt gốm phản xạ ánh sáng bị thiếu từ lớp khác.
Thời gian đăng: 15-08-2018