Quest'estate, La sonda solare Parker della NASA verrà lanciata per viaggiare più vicino al Sole, più in profondità nell'atmosfera solare, di qualsiasi missione prima di essa. Se la Terra fosse a un'estremità di un metro e il Sole all'altra, Parker Solar Probe arriverà a meno di quattro pollici dalla superficie solare.

All'interno di quella parte dell'atmosfera solare, una regione conosciuta come la corona, Parker Solar Probe fornirà osservazioni senza precedenti su ciò che guida l'ampia gamma di particelle, energia e calore che attraversano la regione, lanciando particelle verso l'esterno nel sistema solare e ben oltre Nettuno.

Dentro la corona, è anche, Certo, inimmaginabilmente caldo. La navicella viaggerà attraverso materiale con temperature superiori a un milione di gradi Fahrenheit mentre viene bombardata da un'intensa luce solare.

Così, perchè non si scioglie?

Parker Solar Probe è stato progettato per resistere alle condizioni estreme e alle fluttuazioni di temperatura per la missione. La chiave sta nel suo scudo termico personalizzato e un sistema autonomo che aiuta a proteggere la missione dall'intensa emissione di luce del sole, ma consente al materiale coronale di "toccare" il veicolo spaziale.

La scienza dietro perché non si scioglierà

Una chiave per capire cosa tiene al sicuro il veicolo spaziale e i suoi strumenti, è capire il concetto di calore in funzione della temperatura. Controintuitivamente, le alte temperature non sempre si traducono nel riscaldamento effettivo di un altro oggetto.

Nello spazio, la temperatura può essere di migliaia di gradi senza fornire calore significativo a un dato oggetto o sentirsi caldi. Come mai? La temperatura misura la velocità con cui si muovono le particelle, mentre il calore misura la quantità totale di energia che trasferiscono. Le particelle possono muoversi velocemente (alta temperatura), ma se ce ne sono pochissimi, non trasferiranno molta energia (basso calore). Poiché lo spazio è per lo più vuoto, ci sono pochissime particelle che possono trasferire energia al veicolo spaziale.

La corona attraverso la quale vola Parker Solar Probe, Per esempio, ha una temperatura estremamente elevata ma una densità molto bassa. Pensa alla differenza tra mettere la mano in un forno caldo e metterla in una pentola di acqua bollente (non provarla a casa!) - nel forno, la tua mano può resistere a temperature significativamente più calde più a lungo rispetto all'acqua dove deve interagire con molte più particelle. Allo stesso modo, rispetto alla superficie visibile del Sole, la corona è meno densa, quindi la navicella interagisce con meno particelle calde e non riceve tanto calore.

Ciò significa che mentre Parker Solar Probe viaggerà attraverso uno spazio con temperature di diversi milioni di gradi, la superficie dello scudo termico rivolta verso il sole si riscalderà solo a circa 2, 500 gradi Fahrenheit (circa 1, 400 gradi Celsius).

Lo scudo che lo protegge

Certo, migliaia di gradi Fahrenheit è ancora incredibilmente caldo. (Per confronto, la lava delle eruzioni vulcaniche può essere ovunque tra 1, 300 e 2, 200 F (700 e 1, 200 C) E per resistere a quel calore, Parker Solar Probe utilizza uno scudo termico noto come Thermal Protection System, o TPS, che ha un diametro di 8 piedi (2,4 metri) e uno spessore di 4,5 pollici (circa 115 mm). Quei pochi centimetri di protezione significano che proprio dall'altra parte dello scudo, il corpo del veicolo spaziale siederà a un comodo 85 F (30 C).

Il TPS è stato progettato dal Laboratorio di Fisica Applicata Johns Hopkins, ed è stato costruito presso Carbon-Carbon Advanced Technologies, utilizzando una schiuma composita di carbonio inserita tra due lastre di carbonio. Questo isolamento leggero sarà accompagnato da un tocco finale di vernice ceramica bianca sul piatto rivolto verso il sole, per riflettere più calore possibile. Testato per resistere fino a 3, 000 F (1, 650 C), il TPS è in grado di gestire qualsiasi calore che il Sole può inviare, mantenendo quasi tutta la strumentazione al sicuro.

La Coppa che Misura il Vento

Ma non tutti gli strumenti Solar Parker Probe saranno dietro il TPS.

Spuntando sopra lo scudo termico, la Solar Probe Cup è uno dei due strumenti su Parker Solar Probe che non sarà protetto dallo scudo termico. Questo strumento è noto come tazza di Faraday, un sensore progettato per misurare i flussi di ioni ed elettroni e gli angoli di flusso dal vento solare. A causa dell'intensità dell'atmosfera solare, tecnologie uniche dovevano essere progettate per assicurarsi che non solo lo strumento potesse sopravvivere, ma anche l'elettronica di bordo può restituire letture accurate.

La coppa stessa è composta da fogli di Titanio-Zirconio-Molibdeno, una lega di molibdeno, con un punto di fusione di circa 4, 260 gradi (2, 349 C). I chip che producono un campo elettrico per la Solar Probe Cup sono realizzati in tungsteno, un metallo con il punto di fusione più alto noto di 6, 192 F (3, 422 C). Normalmente i laser vengono utilizzati per incidere le linee della griglia in questi chip, tuttavia, a causa dell'alto punto di fusione, è stato necessario utilizzare invece l'acido.

Un'altra sfida è arrivata sotto forma di cablaggio elettronico:la maggior parte dei cavi si sarebbe sciolta a causa dell'esposizione alle radiazioni di calore in una così stretta vicinanza al sole. Risolvere questo problema, il team ha coltivato tubi di cristallo di zaffiro per sospendere il cablaggio, e fece i fili dal niobio.

Per assicurarsi che lo strumento fosse pronto per l'ambiente difficile, i ricercatori avevano bisogno di imitare l'intensa radiazione di calore del Sole in un laboratorio. Per creare un livello di calore degno di prova, i ricercatori hanno utilizzato un acceleratore di particelle e proiettori IMAX, preparati da una giuria per aumentare la loro temperatura. I proiettori imitavano il calore del sole, mentre l'acceleratore di particelle ha esposto la tazza alle radiazioni per assicurarsi che la tazza potesse misurare le particelle accelerate in condizioni intense. Per essere assolutamente sicuri che la Solar Probe Cup resista all'ambiente ostile, la Fornace Solare di Odeillo, che concentra il calore del Sole attraverso 10, 000 specchi regolabili:è stato utilizzato per testare la tazza contro l'intensa emissione solare.

La Solar Probe Cup ha superato i suoi test a pieni voti, anzi, ha continuato a funzionare meglio ea fornire risultati più chiari quanto più a lungo è stato esposto agli ambienti di test. "Pensiamo che le radiazioni abbiano rimosso qualsiasi potenziale contaminazione, "Giustino Kasper, ricercatore principale per gli strumenti SWEAP presso l'Università del Michigan ad Ann Arbor, disse. "Si è praticamente pulito da solo."

La navicella spaziale che mantiene la calma

Diversi altri progetti sulla navicella mantengono Parker Solar Probe al riparo dal caldo. Senza protezione, i pannelli solari, che utilizzano l'energia della stessa stella studiata per alimentare la navicella spaziale, possono surriscaldarsi. Ad ogni avvicinamento al Sole, i pannelli solari si ritraggono dietro l'ombra dello scudo termico, lasciando solo un piccolo segmento esposto ai raggi intensi del Sole.

Ma così vicino al Sole, serve ancora più protezione. I pannelli solari hanno un sistema di raffreddamento sorprendentemente semplice:un serbatoio riscaldato che impedisce il congelamento del liquido di raffreddamento durante il lancio, due radiatori che manterranno il liquido di raffreddamento dal congelamento, alette in alluminio per massimizzare la superficie di raffreddamento, e pompe per la circolazione del liquido di raffreddamento. Il sistema di raffreddamento è abbastanza potente da raffreddare un soggiorno di medie dimensioni, e manterrà i pannelli solari e la strumentazione freschi e funzionanti mentre si trova nel calore del sole.

Il liquido di raffreddamento utilizzato per l'impianto? Circa un gallone (3,7 litri) di acqua deionizzata. Sebbene esistano molti refrigeranti chimici, la gamma di temperature a cui sarà esposta la navicella spaziale varia tra 50 F (10 C) e 257 F (125 C). Pochissimi liquidi possono gestire quelle gamme come l'acqua. Per evitare l'ebollizione dell'acqua alle alte temperature, sarà pressurizzato in modo che il punto di ebollizione sia superiore a 257 F (125 C).

Un altro problema con la protezione di qualsiasi veicolo spaziale è capire come comunicare con esso. Parker Solar Probe sarà in gran parte da solo nel suo viaggio. La luce impiega otto minuti per raggiungere la Terra, il che significa che se gli ingegneri dovessero controllare la navicella spaziale dalla Terra, nel momento in cui qualcosa fosse andato storto, sarebbe stato troppo tardi per correggerlo.

Così, la navicella spaziale è progettata per mantenersi autonomamente al sicuro e in rotta verso il sole. Diversi sensori, grande circa la metà di un telefono cellulare, sono attaccati al corpo della navicella lungo il bordo dell'ombra dallo scudo termico. Se uno di questi sensori rileva la luce solare, avvisano il computer centrale e il veicolo spaziale può correggere la sua posizione per mantenere i sensori, e il resto degli strumenti, protetto in modo sicuro. Tutto questo deve avvenire senza alcun intervento umano, quindi il software del computer centrale è stato programmato e ampiamente testato per assicurarsi che tutte le correzioni possano essere apportate al volo.

Lancio verso il sole

Dopo il lancio, Parker Solar Probe rileverà la posizione del Sole, allineare lo schermo di protezione termica per affrontarlo e continuare il suo viaggio per i prossimi tre mesi, abbracciando il calore del Sole e proteggendosi dal freddo vuoto dello spazio.

Nel corso di sette anni di durata prevista della missione, l'astronave farà 24 orbite della nostra stella. Ad ogni avvicinamento al Sole campiona il vento solare, studiare la corona del Sole, e fornire osservazioni ravvicinate senza precedenti intorno alla nostra stella e armata della sua sfilza di tecnologie innovative, sappiamo che manterrà la calma per tutto il tempo.