Mentre la sonda spaziale Parker Solar Probe della NASA inizia il suo primo storico incontro con la corona solare alla fine del 2018, volando più vicino alla nostra stella di qualsiasi altra missione nella storia, un rivoluzionario sistema di raffreddamento manterrà i suoi pannelli solari al massimo delle prestazioni, anche in condizioni estremamente ostili.

Ogni strumento e sistema a bordo di Parker Solar Probe (ad eccezione di quattro antenne e uno speciale rilevatore di particelle) sarà nascosto dal sole dietro un rivoluzionario sistema di protezione termica, o TPS, uno scudo di otto piedi di diametro che la navicella spaziale usa per difendersi dal calore intenso e dall'energia della nostra stella.

Ogni sistema sarà protetto, questo è, ad eccezione dei due pannelli solari che alimentano la navicella spaziale. Quando l'astronave è più vicina al sole, i pannelli solari riceveranno 25 volte l'energia solare che riceverebbero in orbita attorno alla Terra, e la temperatura sul TPS raggiungerà più di 2, 500 gradi Fahrenheit. Il sistema di raffreddamento manterrà gli array a una temperatura nominale di 320°F (160°C) o inferiore.

"I nostri pannelli solari funzioneranno in un ambiente estremo in cui altre missioni non hanno mai operato prima, " disse Mary Kae Lockwood, l'ingegnere di sistema di veicoli spaziali per Parker Solar Probe presso il Johns Hopkins Applied Physics Lab.

Nuove innovazioni per sopravvivere all'inferno

I bordi più esterni dei pannelli solari sono piegati verso l'alto, e quando l'astronave è più vicina al sole, questi piccoli frammenti di array saranno estesi oltre la protezione del TPS per produrre energia sufficiente per i sistemi del veicolo spaziale.

L'incredibile calore della nostra stella danneggerebbe gli array di veicoli spaziali convenzionali. Così, come molti altri progressi tecnologici creati appositamente per questa missione, un sistema di pannelli solari a raffreddamento attivo unico nel suo genere è stato sviluppato da APL, in collaborazione con United Technologies Aerospace Systems, che ha prodotto il sistema di raffreddamento, e Tecnologie SolAero, che produce i pannelli solari.

"Questo è tutto nuovo, " Lockwood ha detto delle innovazioni relative al sistema di pannelli solari a raffreddamento attivo. "La NASA ha finanziato un programma per Parker Solar Probe che includeva lo sviluppo tecnologico dei pannelli solari e del loro sistema di raffreddamento. Abbiamo lavorato a stretto contatto con i nostri partner di UTAS e SolAero per sviluppare queste nuove capacità, e abbiamo creato un sistema molto efficace."

Il sistema di raffreddamento Parker Solar Probe ha diversi componenti:un serbatoio di accumulo riscaldato che tratterrà l'acqua durante il lancio ("Se c'era acqua nel sistema, si congelerebbe, " disse Lockwood); pompe a due velocità; e quattro radiatori realizzati con tubi in titanio e alette di alluminio sportive spesse appena due centesimi di pollice. Come per tutta la potenza della navicella spaziale, il sistema di raffreddamento è alimentato dagli array solari, gli stessi array di cui ha bisogno per mantenersi al fresco per garantire il suo funzionamento. Alla capacità operativa nominale, il sistema fornisce 6, 000 watt di capacità di raffreddamento, sufficienti per raffreddare un soggiorno di medie dimensioni.

Un po' sorprendentemente, il liquido di raffreddamento utilizzato non è altro che normale acqua pressurizzata, circa cinque litri, deionizzato per rimuovere i minerali che potrebbero contaminare o danneggiare il sistema. L'analisi ha mostrato che durante la missione, il liquido di raffreddamento dovrebbe funzionare tra 50 ° F e 257 ° F e pochi liquidi possono gestire tali intervalli come l'acqua. "Parte del finanziamento della dimostrazione tecnologica della NASA è stata utilizzata da APL e dai nostri partner dell'UTAS per esaminare una varietà di refrigeranti, " ha detto Lockwood. "Ma per l'intervallo di temperatura che abbiamo richiesto, e per i vincoli di massa, l'acqua era la soluzione." L'acqua sarà pressurizzata, che aumenterà il suo punto di ebollizione sopra i 257 ° F.

I pannelli solari presentano le proprie innovazioni tecniche. "Abbiamo imparato molto sulle prestazioni degli array solari dalla navicella spaziale MESSENGER [costruita dall'APL], che fu il primo a studiare Mercurio, " disse Lockwood. "In particolare, abbiamo imparato come progettare un pannello che mitigherebbe il degrado della luce ultravioletta."

Il vetro di copertura sopra le celle fotovoltaiche è standard, ma il modo in cui il calore viene trasferito dalle celle al substrato del pannello, la piastra, è unico. Uno speciale supporto in ceramica è stato creato e saldato al fondo di ogni cella, e poi attaccato alla piastra con un adesivo termicamente conduttivo appositamente scelto per consentire la migliore conduzione termica nel sistema fornendo l'isolamento elettrico necessario.

Dal ghiaccio al fuoco:lancia sfide

Mentre lo straordinario calore del sole sarà la sfida più intensa della navicella spaziale, i minuti immediatamente successivi al lancio sono in realtà una delle prime sequenze di prestazioni più critiche del veicolo spaziale.

Quando Parker Solar Probe viene lanciato a bordo di un razzo ULA Delta IV Heavy dalla Cape Canaveral Air Force Station in Florida nell'estate del 2018, il sistema di raffreddamento subirà ampi sbalzi di temperatura. "C'è molto da fare per assicurarsi che l'acqua non si congeli, " disse Lockwood.

Primo, le temperature dei pannelli solari e dei radiatori del sistema di raffreddamento scenderanno da quelle nella carenatura (circa 60°F) a temperature comprese tra -85°F e -220°F prima che possano essere riscaldate dal sole. Il serbatoio del liquido di raffreddamento preriscaldato manterrà l'acqua dal congelamento; i radiatori appositamente progettati, progettati per respingere il calore e le temperature intense al sole, sopravviveranno anche a questo freddo pungente, grazie a un nuovo processo di incollaggio e innovazioni di design.

Meno di 60 minuti dopo, la navicella si separerà dal veicolo di lancio e inizierà la sequenza post-separazione. Si ruoterà per indicare il sole; i pannelli solari verranno rilasciati dai loro blocchi di lancio; gli array ruoteranno per puntare al sole; una valvola a scrocco si aprirà per rilasciare l'acqua calda in due dei quattro radiatori e nei pannelli solari; la pompa si accenderà; il veicolo spaziale ruoterà di nuovo in un orientamento di puntamento nominale, riscaldare i due radiatori più freddi e non attivati; e l'energia proveniente dai pannelli solari raffreddati inizierà a ricaricare la batteria.

In un altro primo, questa complessa e critica serie di compiti sarà completata in autonomia dal veicolo spaziale, senza alcun input dal controllo di missione.

L'acqua per i due radiatori non attivati ​​rimarrà nel serbatoio di accumulo per i primi 40 giorni di volo; dopo di che, verranno attivati ​​gli ultimi due radiatori.

"Una delle maggiori sfide nel testare questo è quelle transizioni da molto freddo a molto caldo in un breve periodo di tempo, " disse Lockwood. "Ma quei test, e altri test per mostrare come funziona il sistema quando è sotto un TPS completamente riscaldato, correlata abbastanza bene ai nostri modelli."

Grazie a test e modelli, il team ha studiato i dati e aumentato la copertura termica sui primi due radiatori da attivare, al fine di bilanciare massimizzando la loro capacità al termine della missione, e ridurre ulteriormente il rischio di congelamento dell'acqua all'inizio della missione.

Mantenersi al fresco, autonomamente

Quando Parker Solar Probe sfreccia davanti al sole a circa 450, 000 miglia all'ora, sarà a 90 milioni di miglia dai controllori di missione sulla Terra, troppo lontano perché il team possa "guidare" il veicolo spaziale. Ciò significa che le modifiche al modo in cui il veicolo spaziale si sta proteggendo con il TPS devono essere gestite dai sistemi di guida e controllo di bordo di Parker Solar Probe. Questi sistemi utilizzano un nuovo ed efficace software autonomo per consentire al veicolo spaziale di alterare istantaneamente il suo puntamento per massimizzare la protezione dal sole. Questa capacità autonoma è fondamentale per il funzionamento dei pannelli solari del veicolo spaziale, che deve essere costantemente regolato per un'angolazione ottimale mentre Parker Solar Probe sfreccia attraverso l'aspro sole, corona surriscaldata.

"Durante gli incontri solari, cambiamenti molto piccoli nell'angolo dell'ala dell'array solare possono cambiare notevolmente la capacità di raffreddamento necessaria." Lockwood ha affermato che un cambiamento di un grado nell'angolo dell'array di un'ala richiederebbe il 35 percento in più di capacità di raffreddamento.

La sfida costante è assicurarsi che il veicolo spaziale e gli array rimangano freschi.

"Non c'è modo di fare questi aggiustamenti da terra, il che significa che deve guidare se stesso, " ha detto Lockwood. "APL ha sviluppato una varietà di sistemi, compreso il controllo dell'angolo alare, guida e controllo, impianto elettrico, avionica, gestione dei guasti, autonomia e software di volo, che sono parti critiche che funzionano con il sistema di raffreddamento dell'array solare."

Lockwood ha aggiunto:"Questo veicolo spaziale è probabilmente uno dei sistemi più autonomi mai volati".

Quell'autonomia, insieme al nuovo sistema di raffreddamento e agli aggiornamenti pionieristici dei pannelli solari, sarà fondamentale per garantire che Parker Solar Probe possa eseguire le indagini scientifiche mai possibili sul sole che risponderanno alle domande che gli scienziati hanno avuto sulla nostra stella e sulla sua corona.