La star dello spettacolo è un blocco grigio scuro, delle dimensioni di un libro di testo, e parecchi pollici di spessore. Mentre un pubblico di giornalisti guarda, un ingegnere fa passare una fiamma ossidrica sul blocco fino a quando la sua faccia si riscalda in un bagliore rosso.

"Vuoi prendere un tocco della superficie posteriore?" invita un volontario della NASA in maglietta.

Il volontario si allunga timidamente sul retro, prima con un dito, e poi con tutta la sua mano.

"Come ti fa sentire?"

"Tiepido, " risponde il volontario. "Nemmeno—normale."

La dimostrazione, soprannominato "Blowtorch vs. Heat Shield" su YouTube, rappresenta il culmine di anni di ricerca, tentativi ed errori, e minuziose analisi da parte degli ingegneri del Laboratorio di fisica applicata della Johns Hopkins University per risolvere quello che chiamano il "problema termico" della Parker Solar Probe, un veicolo spaziale che viaggerà entro 4 milioni di miglia dalla superficie del sole.

Il "problema termico" è un modo gentile di riferirsi alle complicazioni di eseguire questo tuffo da record direttamente nell'atmosfera esterna della nostra stella, o corona. Mentre la sonda solare Parker orbita attorno alla stella e registra i dati con i suoi strumenti di bordo, un sistema di protezione termica, o TPS, proteggerà la navicella dal calore. In combinazione con un sistema di raffreddamento ad acqua, il TPS manterrà la maggior parte degli strumenti del veicolo spaziale a circa 85 gradi Fahrenheit, una bella giornata estiva, mentre il TPS stesso resiste a una temperatura di 2500 gradi Fahrenheit.

Senza il TPS, non c'è sonda.

"Questa è stata la tecnologia che ci ha permesso di svolgere questa missione:consentirle di volare, "dice Elisabetta Abele, Cavo termico TPS. "Sarà incredibilmente eccitante vedere qualcosa in cui metti molta energia e duro lavoro, per vederlo volare davvero. Sarà un grande giorno".

La sonda solare Parker dovrebbe essere lanciata dal Kennedy Space Center di Cape Canaveral, Florida, questo mese:la sua finestra di lancio si apre sabato e durerà fino al 23 agosto. Durante la sua missione di sette anni, esplorerà alcuni dei più grandi misteri del sole:perché il vento solare è una brezza più vicina al sole ma un torrente supersonico più lontano? Perché la corona stessa è milioni di gradi più calda della superficie del sole? Quali sono i meccanismi dietro le particelle energetiche solari incredibilmente veloci che possono interferire con i veicoli spaziali, interrompere le comunicazioni sulla Terra, e mettere in pericolo gli astronauti?

Il lancio concluderà 60 anni di pianificazione e impegno, e più di un decennio trascorso a creare lo scudo termico che devia la parte peggiore dell'energia solare.

Le facce anteriore e posteriore dello scudo termico sono realizzate con fogli di carbonio-carbonio, un materiale leggero con proprietà meccaniche superiori particolarmente adatto alle alte temperature. A meno di un decimo di pollice di spessore, i due fogli di carbonio-carbonio sono abbastanza sottili da piegarsi, anche se sono stati messi uno sopra l'altro. Tra di loro ci sono circa 4,5 pollici di schiuma di carbonio, tipicamente utilizzato nell'industria medica per la sostituzione ossea. Questo design a sandwich irrigidisce tutto, come il cartone ondulato, consentendo allo scudo termico di 8 piedi di pesare solo circa 160 libbre.

La schiuma svolge anche le funzioni strutturali più essenziali dello scudo termico. Il carbonio stesso conduce il calore, ma la schiuma di carbonio è al 97 percento di aria. Oltre a ridurre il peso del veicolo spaziale per aiutarlo a entrare in orbita, la struttura in schiuma significa che non c'è molto materiale attraverso il quale il calore può passare. Lo scudo termico sarà di 2500 gradi Fahrenheit sul lato rivolto verso il sole, ma solo 600 gradi Fahrenheit sul retro.

La schiuma non è stata facile da testare. è estremamente fragile, e c'era un altro problema.

"Quando diventi caldo, può bruciare, "dice Abele.

La combustione non è un problema nel vuoto (come nello spazio), ma l'aria residua nelle camere di prova farebbe carbonizzare la schiuma. Così gli ingegneri costruirono la propria camera a vuoto all'Oak Ridge National Laboratory, dove una struttura con lampada ad arco al plasma ad alta temperatura potrebbe riscaldare il materiale alle incredibili temperature che lo scudo termico potrebbe sopportare.

Ma tutte le impressionanti proprietà di dispersione del calore della schiuma di carbonio non erano sufficienti per mantenere la navicella spaziale alla temperatura richiesta. Poiché non c'è aria nello spazio per fornire raffreddamento, l'unico modo in cui il materiale espelle il calore è disperdere la luce ed espellere calore sotto forma di fotoni. Per quello, era necessario un altro strato di protezione:un rivestimento bianco che riflettesse calore e luce.

Per quello, L'APL si è rivolta all'Advanced Technology Laboratory della Whiting School of Engineering della Johns Hopkins University, dove una fortunata coincidenza aveva portato all'assemblaggio di un dream team per il rivestimento dello scudo termico:esperti in ceramica per alte temperature, chimica, e rivestimenti spray al plasma.

Dopo un'ampia progettazione e test, il team ha optato per un rivestimento a base di ossido di alluminio bianco brillante. Ma quel rivestimento potrebbe reagire con il carbonio dello scudo termico ad alte temperature e diventare grigio, così gli ingegneri hanno aggiunto uno strato di tungsteno, più sottile di una ciocca di capelli, tra lo scudo termico e il rivestimento per impedire ai due di interagire. Hanno aggiunto droganti su scala nanometrica per rendere il rivestimento più bianco e per inibire l'espansione dei grani di ossido di alluminio quando esposti al calore.

Quindi gli ingegneri hanno dovuto determinare il modo migliore per creare e applicare il rivestimento.

"L'intera faccenda stava lottando per trovare un rivestimento ceramico che riflettesse la luce ed emettesse calore, "dice Dennis Nagle, principale ingegnere di ricerca presso il Center for Systems Science and Engineering.

Tipicamente quando si lavora con lo smalto, Nagle dice, un duro, è preferibile un rivestimento non poroso, uno che si crepa quando viene colpito con un martello. Ma sotto le temperature affrontate dalla Parker Solar Probe, un rivestimento liscio andrebbe in frantumi come una finestra colpita da un sasso. L'obiettivo era invece un rivestimento uniformemente poroso in grado di resistere ad ambienti estremi. Quando le crepe iniziano in un rivestimento poroso, si fermeranno quando colpiranno un poro. Il rivestimento è stato realizzato con diversi grezzi, strati granulosi, sufficienti per consentire a un set di grani di ceramica di riflettere la luce che un altro strato manca.

"Dico sempre alla gente che funziona perché è un rivestimento scadente, " scherza Nagle. "Se vuoi fare un buon rivestimento, fallirà."

Dopo il lancio di Parker Solar Probe, ruoterà ripetutamente attorno a Venere in un'orbita che si restringe gradualmente, portandolo sempre più vicino al sole. Gli scienziati stanno aspettando con impazienza il flusso di nuovi dati dagli strumenti della sonda, ma coloro che hanno contribuito a rendere lo scudo termico una realtà dicono che l'emozione sarà nel vedere quell'ultimo tuffo nell'atmosfera del sole, sette volte più vicino di qualsiasi veicolo spaziale precedente, la sonda delle dimensioni di un'auto e il suo prezioso carico difesi dalla forza del sole con il loro lavoro.

Ma sette anni sono tanti per aspettare una prova finale di successo, quindi il lancio dovrà fare per ora.

"Questo è stato molto impegnativo, "dice Dajie Zhang, a senior staff scientist in APL's Research and Exploratory Development Department who worked on the TPS coating. "It makes me feel much better coming into work every day. The solar probe's success showed me I can do it, and our team can do it."