السفر إلى الشمس: لماذا لا يذوب المسبار الشمسي باركر؟هذا الصيف ، سيطلق المسبار باركر الشمسي التابع لوكالة ناسا للسفر بالقرب من الشمس ، أعمق في الغلاف الجوي الشمسي ، أكثر من أي مهمة قبله. إذا كانت الأرض في أحد طرفي عصا الفناء والشمس على الطرف الآخر ، فإن Parker Solar Probe سيجعلها على بعد أربع بوصات من سطح الشمس.
داخل هذا الجزء من الغلاف الجوي الشمسي ، وهي منطقة تُعرف باسم الهالة ، سيوفر Parker Solar Probe ملاحظات غير مسبوقة لما يحرك مجموعة واسعة من الجسيمات والطاقة والحرارة التي تتدفق عبر المنطقة - مما يدفع بالجسيمات إلى الخارج في النظام الشمسي والماضي البعيد نبتون.
داخل الهالة ، الجو أيضًا ، بالطبع ، حار بشكل لا يمكن تصوره. ستسافر المركبة الفضائية عبر مواد تزيد درجة حرارتها عن مليون درجة فهرنهايت أثناء قصفها بضوء الشمس الشديد.
فلماذا لا تذوب؟تم تصميم Parker Solar Probe لتحمل الظروف القاسية وتقلبات درجات الحرارة للمهمة. يكمن المفتاح في الدرع الحراري المخصص والنظام المستقل الذي يساعد على حماية المهمة من انبعاث الضوء المكثف للشمس ، ولكنه يسمح للمادة الإكليلية "بلمس" المركبة الفضائية.
العلم وراء سبب عدم ذوبانهأحد المفاتيح لفهم ما يحافظ على سلامة المركبة الفضائية وأدواتها هو فهم مفهوم الحرارة مقابل درجة الحرارة. على عكس المتوقع ، لا تؤدي درجات الحرارة المرتفعة دائمًا إلى تسخين جسم آخر.
في الفضاء ، يمكن أن تصل درجة الحرارة إلى آلاف الدرجات دون توفير حرارة كبيرة لجسم معين أو الشعور بالحرارة. لماذا؟ تقيس درجة الحرارة مدى سرعة حركة الجسيمات ، بينما تقيس الحرارة الكمية الإجمالية للطاقة التي تنقلها. قد تتحرك الجسيمات بسرعة (درجة حرارة عالية) ، ولكن إذا كان هناك القليل منها ، فلن تنقل الكثير من الطاقة (حرارة منخفضة). نظرًا لأن الفضاء فارغ في الغالب ، فهناك عدد قليل جدًا من الجسيمات التي يمكنها نقل الطاقة إلى المركبة الفضائية.
الهالة التي يطير من خلالها مسبار باركر الشمسي ، على سبيل المثال ، لها درجة حرارة عالية للغاية ولكن كثافة منخفضة للغاية. فكر في الفرق بين وضع يدك في فرن ساخن مقابل وضعها في قدر من الماء المغلي (لا تجرب ذلك في المنزل!) - في الفرن ، يمكن أن تتحمل يدك درجات حرارة أعلى بشكل ملحوظ لفترة أطول من الماء حيث يجب أن تتفاعل مع العديد من الجسيمات. وبالمثل ، بالمقارنة مع السطح المرئي للشمس ، فإن الإكليل أقل كثافة ، لذلك تتفاعل المركبة الفضائية مع عدد أقل من الجزيئات الساخنة ولا تتلقى نفس القدر من الحرارة.
وهذا يعني أنه بينما ينتقل باركر سولار بروب عبر فضاء بدرجات حرارة تصل إلى عدة ملايين درجة ، فإن سطح الدرع الحراري الذي يواجه الشمس سوف يسخن فقط إلى حوالي 2500 درجة فهرنهايت (حوالي 1400 درجة مئوية).
الدرع الذي يحميهابالطبع ، لا تزال آلاف درجات فهرنهايت حارة بشكل خيالي. (للمقارنة ، يمكن أن تتراوح الحمم البركانية الناتجة عن الانفجارات البركانية بين 1300 و 2200 درجة فهرنهايت (700 و 1200 درجة مئوية) ولمقاومة هذه الحرارة ، يستخدم Parker Solar Probe درعًا حراريًا يعرف باسم نظام الحماية الحرارية ، أو TPS ، وهو 8 قدم (2.4 متر) وقطرها 4.5 بوصة (حوالي 115 ملم) ، وتعني تلك السنتيمترات القليلة من الحماية أنه على الجانب الآخر من الدرع ، سيجلس جسم المركبة الفضائية على درجة حرارة مريحة تبلغ 85 فهرنهايت (30 درجة مئوية).
تم تصميم TPS بواسطة مختبر Johns Hopkins Applied Physics ، وتم بناؤه في Carbon-Carbon Advanced Technologies ، باستخدام رغوة مركبة من الكربون محصورة بين لوحين من الكربون. سيكون هذا العزل خفيف الوزن مصحوبًا بلمسة نهائية من طلاء السيراميك الأبيض على اللوح المواجه للشمس ، ليعكس أكبر قدر ممكن من الحرارة. تم اختباره لتحمل ما يصل إلى 3000 درجة فهرنهايت (1650 درجة مئوية) ، ويمكن لـ TPS التعامل مع أي حرارة يمكن أن ترسلها الشمس في طريقها ، مما يحافظ على أمان جميع الأجهزة تقريبًا.
الكأس الذي يقيس الرياح الشمسيةولكن لن تكون جميع أدوات المسبار الشمسي باركر وراء TPS.
يُعد كأس المسبار الشمسي ، الذي يبرز فوق الدرع الحراري ، أحد اثنين من الأدوات الموجودة في Parker Solar Probe والتي لن يتم حمايتها بواسطة الدرع الحراري. تُعرف هذه الأداة باسم كأس فاراداي ، وهو مستشعر مصمم لقياس تدفقات الأيونات والإلكترونات وزوايا التدفق من الرياح الشمسية. نظرًا لشدة الغلاف الجوي الشمسي ، كان لابد من تصميم تقنيات فريدة للتأكد من أنه لا يمكن للأداة البقاء على قيد الحياة فحسب ، بل يمكن أيضًا للإلكترونيات الموجودة على متنها إرسال قراءات دقيقة.
الكوب نفسه مصنوع من صفائح التيتانيوم والزركونيوم والموليبدينوم ، وهي سبيكة من الموليبدينوم ، مع نقطة انصهار تبلغ حوالي 4260 فهرنهايت (2349 درجة مئوية). الشبكات التي تنتج مجالًا كهربائيًا لكأس المسبار الشمسي مصنوعة من التنجستن ، وهو معدن له أعلى نقطة انصهار معروفة تبلغ 6،192 فهرنهايت (3422 درجة مئوية). عادةً ما يتم استخدام الليزر لحفر خطوط الشبكة في هذه الشبكات - ولكن نظرًا لارتفاع نقطة الانصهار ، كان لابد من استخدام الحمض بدلاً من ذلك.
جاء التحدي الآخر في شكل الأسلاك الإلكترونية - تذوب معظم الكابلات من التعرض للإشعاع الحراري على هذا القرب من الشمس. لحل هذه المشكلة ، قام الفريق بزراعة أنابيب من الكريستال الياقوتي لتعليق الأسلاك ، وصنعوا الأسلاك من النيوبيوم.
للتأكد من أن الأداة جاهزة للبيئة القاسية ، احتاج الباحثون لتقليد الإشعاع الحراري الشديد للشمس في المختبر. لإنشاء مستوى حرارة جدير بالاختبار ، استخدم الباحثون مسرع الجسيمات وأجهزة عرض IMAX - معدة من قبل هيئة المحلفين لزيادة درجة حرارتها. تحاكي أجهزة العرض حرارة الشمس ، بينما يعرض مسرع الجسيمات الكوب للإشعاع للتأكد من أن الكوب يمكنه قياس الجسيمات المتسارعة في ظل الظروف الشديدة. للتأكد تمامًا من أن كأس المسبار الشمسي سوف يتحمل البيئة القاسية ، تم استخدام فرن Odeillo Solar - الذي يركز حرارة الشمس من خلال 10000 مرآة قابلة للتعديل - لاختبار الكوب ضد الانبعاث الشمسي الشديد.
اجتاز كأس المسبار الشمسي اختباراته بألوان متطايرة - في الواقع ، استمر في الأداء بشكل أفضل وإعطاء نتائج أوضح كلما تعرض لبيئات الاختبار لفترة أطول. قال جاستن كاسبر ، الباحث الرئيسي في أدوات SWEAP في جامعة ميشيغان في آن أربور: "نعتقد أن الإشعاع أزال أي تلوث محتمل". "لقد نظفت نفسها بشكل أساسي."
المركبة الفضائية التي تحافظ على هدوئهاالعديد من التصميمات الأخرى للمركبة الفضائية تحمي باركر سولار بروب من الحرارة. بدون حماية ، يمكن أن ترتفع درجة حرارة الألواح الشمسية - التي تستخدم الطاقة من النجم نفسه الذي تتم دراسته لتشغيل المركبة الفضائية. عند كل اقتراب من الشمس ، تتراجع المصفوفات الشمسية خلف ظل الدرع الحراري ، تاركة جزءًا صغيرًا فقط معرضًا لأشعة الشمس الشديدة.
ولكن هذا القرب من الشمس ، هناك حاجة إلى مزيد من الحماية. تحتوي المصفوفات الشمسية على نظام تبريد بسيط بشكل مدهش: خزان ساخن يحافظ على المبرد من التجمد أثناء الإطلاق ، واثنين من مشعات تمنع سائل التبريد من التجمد ، وزعانف من الألومنيوم لزيادة سطح التبريد إلى أقصى حد ، ومضخات لتدوير المبرد. نظام التبريد قوي بما يكفي لتبريد غرفة معيشة متوسطة الحجم ، وسيحافظ على برودة الصفائف والأجهزة الشمسية وتشغيلها أثناء وجودها في حرارة الشمس.
المبرد المستخدم للنظام؟ حوالي 3.7 لتر من الماء منزوع الأيونات. على الرغم من وجود الكثير من المبردات الكيميائية ، فإن نطاق درجات الحرارة التي ستتعرض لها المركبة الفضائية يتراوح بين 50 فهرنهايت (10 درجة مئوية) و 257 فهرنهايت (125 درجة مئوية). القليل جدًا من السوائل يمكنها التعامل مع هذه النطاقات مثل الماء. لمنع الماء من الغليان عند الطرف الأعلى من درجات الحرارة ، سيتم ضغطه بحيث تزيد درجة الغليان عن 257 فهرنهايت (125 درجة مئوية).
هناك مشكلة أخرى تتعلق بحماية أي مركبة فضائية وهي معرفة كيفية التواصل معها. سيكون Parker Solar Probe وحيدًا إلى حد كبير في رحلته. يستغرق الضوء ثماني دقائق للوصول إلى الأرض - مما يعني أنه إذا كان على المهندسين التحكم في المركبة الفضائية من الأرض ، فحينما يحدث خطأ ما ، سيكون قد فات الأوان لتصحيحه.
لذلك ، تم تصميم المركبة الفضائية لتحافظ على سلامتها بشكل مستقل وعلى المسار الصحيح نحو الشمس. عدة أجهزة استشعار ، حوالي نصف حجم الهاتف الخليوي ، متصلة بجسم المركبة الفضائية على طول حافة الظل من الدرع الحراري. إذا اكتشف أي من هذه المستشعرات ضوء الشمس ، فإنها تنبه الكمبيوتر المركزي ويمكن للمركبة الفضائية تصحيح موقعها للحفاظ على أجهزة الاستشعار ، وبقية الأدوات ، محمية بأمان. كل هذا يجب أن يحدث دون أي تدخل بشري ، لذلك تمت برمجة برنامج الكمبيوتر المركزي واختباره على نطاق واسع للتأكد من إمكانية إجراء جميع التصحيحات بسرعة.
الانطلاق نحو الشمسبعد الإطلاق ، سيقوم Parker Solar Probe باكتشاف موقع الشمس ، ومحاذاة درع الحماية الحرارية لمواجهتها ومتابعة رحلتها للأشهر الثلاثة المقبلة ، مع احتضان حرارة الشمس وحماية نفسها من الفراغ البارد للفضاء.
على مدار سبع سنوات من مدة المهمة المخطط لها ، ستدور المركبة الفضائية 24 مدارًا حول نجمنا. في كل مقاربة قريبة للشمس ، سوف تأخذ عينات من الرياح الشمسية ، وتدرس هالة الشمس ، وتقدم ملاحظات عن قرب غير مسبوقة من حول نجمنا - ومسلحة بمجموعة كبيرة من التقنيات المبتكرة ، نعلم أنها ستحافظ على برودتها طوال الوقت.
المصدر :
NASA
62 مشاهدة
