Этим летом NASA запустит новый солнечный зонд Паркер, который должен будет приблизиться к Солнцу так близко, как не делал еще ни один космический корабль до него. Если представить, что Земля и Солнце разнесены на метр, то зонд должен будет подлететь к нашей звезде на расстояние всего 4 сантиметра!
Внутри короны, конечно, невообразимо жарко. Космический корабль будет путешествовать через материал с температурой более миллиона градусов по Цельсию при постоянной бомбардировке интенсивным солнечным светом.
В итоге, почему же зонд банально не испарится в таких условиях? Паркер спроектирован так, чтобы выдерживать экстремальные условия и колебания температуры в течение всей миссии. Ключевым моментом является его специальный тепловой экран и автономная система, которая помогает защитить корабль от интенсивного светового излучения Солнца, но при этом позволяет корональному материалу «коснуться» зонда.
На острие науки
Одним из ключевых моментов для объяснения того, что сохраняет космический аппарат и его приборы в безопасности, является понимание концепции теплоты и температуры. Это кажется противоинтуитивным, но высокие температуры не всегда приводят к сильному нагреванию объекта.
В космосе температура может составлять тысячи градусов, при этом не передавая много тепла объекту и не делая его горячим. Как? Температура показывает, как быстро движутся частицы, а тепло измеряет общее количество энергии, которую они передают. Частицы могут двигаться быстро (высокая температура), но если их очень мало, они не будут передавать много энергии (мало тепла). Поскольку космическое пространство в основном пустое, существует очень мало частиц, которые могут передавать энергию космическому аппарату и тем самым нагреть его.
Корона, через которую полетит солнечный зонд Паркер, имеет чрезвычайно высокую температуру, но очень низкую плотность. Для примера — вы можете достаточно долго держать руку внутри горячей духовки, но ни секунды не удержите ее в кипятке (не пробуйте это делать), потому что в нем ваша рука соприкоснется с гораздо большим числом нагретых частиц. Аналогично, по сравнению с видимой поверхностью Солнца, корона менее плотная, поэтому космический аппарат взаимодействует с меньшим количеством горячих частиц и получает относительно немного тепла.
Поэтому, когда зонд будет путешествовать через пространство с температурой в несколько миллионов градусов, поверхность теплового экрана, которая обращена к Солнцу, будет нагреваться только до 1400 градусов по Цельсию, а такую температуру уже могут выдержать некоторые вещества, оставаясь при этом в твердой форме.
Щит укроет зонд
Конечно, тысяча градусов по Цельсию — все еще очень горячо. Для сравнения, лава при извержении вулканов имеет температуру от 700 до 1200 градусов. Чтобы выдерживать такой нагрев, зонд использует тепловой экран, названный Thermal Protection System, или TPS, который составляет 2.4 метра в диаметре около 115 мм в толщину. Лишь десяток сантиметров вещества позволяют сделать так, что на другой стороне экрана корпус космического корабля будет иметь температуру в комфортные 30 градусов.
Так выглядит TPS, который будет защищать зонд на протяжении всей миссии.
TPS был разработан Лабораторией прикладной физики Джона Хопкинса и построен в Carbon-Carbon Advanced Technologies. Сама конструкция представляет собой две углеродные пластины, между которыми залита композитная пена. Этот легкий щит дополняется керамическим напылением на стороне, которая будет обращена к Солнцу — это позволит отражать как можно больше тепла. При испытаниях было обнаружено, что он выдерживает до 1650 градусов, при этом сохраняя все приборы в безопасности.
Чаша, которая измерит солнечный ветер
Но не все приборы Паркера будут скрыты щитом. Высовываясь за теплозащитный экран, чаша солнечного зонда (Solar Probe Cup) является одним из двух инструментов, которые не защищены теплозащитным экраном. Этот прибор, известный как цилиндр Фарадея, является датчиком, предназначенным для измерения ионного и электронного потоков солнечного ветра. Из-за «враждебности» солнечной атмосферы необходимо было разработать уникальные технологии, чтобы удостовериться, что не только прибор может выжить, но и электроника на борту сможет получить от него данные.
Расположение цилиндра Фарадея (Faraday cup) на зонде, а также принцип его действия: по поглощенному току можно рассчитать интенсивность потока электронов.
Сама чаша изготовлена из листов титан-циркония-молибдена, сплава с температурой плавления около 2349 градусов Цельсия. Чипы, которые производят электрическое поле для работы этого датчика, изготавливаются из вольфрама — одного из самых тугоплавких металлов с температурой плавления в 3422 градуса. Обычно для вытравливания измерительной сетки на чаше используются лазеры, однако из-за высокой температуры плавления пришлось использовать вместо этого кислоту.
Другая проблема возникла при создании проводки — большинство кабелей расплавились бы от воздействия теплового излучения в такой непосредственной близости от Солнца. Чтобы решить эту проблему, команда вырастила сапфировые кристаллические трубки в качестве изоляции, а непосредственно провода сделали из ниобия.
Чтобы убедиться, что прибор готов к суровым условиям рядом с Солнцем, исследователям пришлось воспроизвести такое интенсивное тепловое излучение в лаборатории. Чтобы создать достаточный нагрев, экспериментаторы использовали ускоритель частиц и проекторы IMAX. Последние имитировали тепло Солнца, в то время как ускоритель бомбардировал чашу потоками частиц, чтобы убедиться, что детектор может регистрировать ускоренные частицы в таких жестких условиях.
Чтобы окончательно убедиться, что прибор выдержит околосолнечные условия, исследователи поместили его в специальную печь Odeillo, которая концентрирует солнечное тепло через 10 000 регулируемых зеркал. И Solar Probe Cup прошел все испытания с честью — более того, чем дольше он подвергался излучению и сильному нагреву, тем лучше он начинал работать. «Мы считаем, что радиация удалила любые потенциальные загрязнения», — говорит Джастин Каспер, главный исследователь приборов в Мичиганском университете в Анн-Арборе.
Так выглядит Odeillo — установка, позволяющая достичь солнечных температур в фокусе этой гигантской линзы.
Космический корабль, охлаждающий сам себя
Кроме шита есть еще несколько хитроумных решений, позволяющих зонду избежать перегрева. Так, без тепловой защиты солнечные панели, которые используются для обеспечения его энергией, могут перегреться. Поэтому при каждом приближении к Солнцу солнечные батареи будут отводиться в тень от теплового щита, оставляя лишь небольшой сегмент под горячими лучами Солнца.
Но при приближении к Солнцу потребуется еще больше защиты приборов от нагрева. Солнечные батареи имеют удивительно простую систему охлаждения: в теневой части будет находиться резервуар с хладагентом и множество алюминиевых радиаторов, а циркулировать жидкость будет благодаря насосам. Такая система охлаждения оказывается достаточно мощной, чтобы охлаждать средних размеров комнату, и будет держать солнечные батареи и приборы в приемлемых для работы условиях даже вблизи Солнца.
Что же играет роль хладагента? Галлон (около 4 литров) деионизированной воды. Хотя существует множество более эффективных химических хладагентов, диапазон температур, при которых космический аппарат сохраняет работоспособность, колеблется между 10 и 125 градусов по Цельсию — очень немногие жидкости могут существовать на всем диапазоне таких температур. Чтобы вода не кипела при 100 градусах, она будет находиться под давлением, поэтому температура кипения будет выше 125 градусов.
Еще одна проблема, возникающая при создании защиты для любого космического корабля — это выяснить, как с ним общаться, ведь толстый щит может мешать распространению радиоволн. Увы, но зонд будет в основном оставаться наедине с собой: для достижения Земли сигналу требуется около восьми минут, то есть если инженеры управляли бы им с Земли, то пока сигнал о неисправности дошел бы до нас, чинить было бы уже нечего.
Таким образом, космический корабль вынужден будет самостоятельно заботиться о собственной безопасности при полете к Солнцу и работе в непосредственной близости от него. Несколько датчиков, размером с небольшой сотовый телефон, прикреплены к корпусу зонда на краях тени от теплового экрана. Если какой-либо из этих датчиков обнаруживает солнечный свет, он предупреждают центральный компьютер, и космический аппарат исправляет свое положение, чтобы держать датчики и остальные инструменты в безопасной тени. Все это должно произойти без какого-либо вмешательства человека, поэтому центральный компьютер и ПО для него должны быть максимально тщательно протестированы, чтобы убедиться, что все корректировки могут быть сделаны «на лету».
Запуск к Солнцу
Схема полета зонда Паркер к Солнцу.
После запуска зонд Паркер обнаружит положение Солнца, выровняет защитный экран и около трех месяцев будет лететь до нашей звезды, защищаясь от ее губительного излучения щитом.
В течение семи лет запланированного полета космический корабль сделает 24 оборота вокруг Солнца. При каждом приближении к светилу он будет исследовать солнечный ветер, изучать корону Солнца и собирать уникальные данные по атмосфере нашей звезды — и, будучи вооруженным множеством инновационных технологий, мы верим, что он сможет оставаться холодным все это время.
