14/08/2018

Viatjant cap al Sol: Per què la sonda solar Parker no es fonerà?

Il·lustració de la sonda Parker Solar circulant pel Sol. Crèdit: NASA/JHUAPL

El 12 d'agost, la sonda solar Parker de la NASA va ser llançada per viatjar més a prop del Sol, i més profund en l'atmosfera solar, que qualsevol altra missió anterior. Si la Terra estigués en un extrem d'un pal d'una llargada d'una iarda (0'91 m) i el Sol a l'altre, la Sonda Solar Parker arribaria a estar a menys de quatre polzades (10 cm.) de la superfície solar.

Dins d'aquesta part de l'atmosfera solar, una regió coneguda com la corona, la Sonda Solar Parker proporcionarà observacions sense precedents del que impulsa l'àmplia gamma de partícules, energia i calor que travessen la regió, llançant partícules cap a fora al sistema solar i molt més enllà de Neptú.

L'interior de la corona, també és, per descomptat, inimaginablement calent. La nau espacial viatjarà a través de materials amb temperatures superiors a un milió de graus Fahrenheit (més de 550.00 ºC), mentre és bombardejada amb intensa llum solar.

Llavors, ¿per què no es fon?

La sonda solar Parker ha estat dissenyada per suportar les condicions extremes i les fluctuacions de temperatura de la missió. La clau rau en el seu escut tèrmic personalitzat i un sistema autònom que ajuda a protegir la missió de la intensa emissió de llum del Sol, però que permet que el material coronal "toqui" la nau espacial.

La sonda solar Parker de la NASA es dirigeix al Sol. Per què no es fon la nau?
L'enginyera de sistemes de protecció tèrmica Betsy Congdon
(Johns Hopkins APL) explica per què Parker pot suportar l'escalfor.
Crèdits: Centre de Vols Espacials Goddard de la NASA. YouTube. 

La ciència darrere del per què no es fon

Una de les claus per entendre què és el que manté a la nau espacial i els seus instruments segurs, és entendre el concepte de calor versus temperatura. En contra del que ens suggereix la intuïció, les altes temperatures no sempre es tradueixen en un escalfament real d'un altre objecte.

A l'espai, la temperatura pot ser de milers de graus sense proporcionar calor significatiu a un objecte o sentir calor. Per què? La temperatura mesura com de ràpid es mouen les partícules, mentre que la calor mesura la quantitat total d'energia que transfereixen. Les partícules poden estar movent-se ràpidament (alta temperatura), però si n'hi ha molt poques, no transferiran molta energia (calor baixa). Atès que l'espai està majorment buit, hi ha molt poques partícules que puguin transferir energia a la nau espacial.

La corona a través de la qual vola la sonda solar Parker, per exemple, té una temperatura extremadament alta però una densitat molt baixa. Penseu en la diferència entre ficar la mà en un forn calent i ficar-la en una olla amb aigua bullint (no ho intenteu a casa!), al forn, la vostra mà pot suportar temperatures significativament més altes durant més temps que en l'aigua, on ha d'interactuar amb moltes més partícules. De manera similar, en comparació de la superfície visible del Sol, la corona és menys densa, de manera que la nau espacial interactua amb menys partícules calentes i no rep tanta calor.

Això vol dir que mentre la Sonda Solar Parker viatjarà a través d'un espai amb temperatures de diversos milions de graus centígrads, la superfície de l'escut tèrmic que dóna al Sol només s'escalfarà a uns 2.500 graus Fahrenheit (uns 1.400 graus centígrads).

L'escut protector

Per descomptat, milers de graus Fahrenheit segueixen sent quelcom fantàsticament calent (en comparació, la lava de les erupcions volcàniques pot estar en qualsevol lloc entre 1.300 i 2.200ºF (700 i 1.200ºC). I per suportar aquesta calor, la Sonda Solar Parker fa ús d'un escut tèrmic conegut com el Sistema de Protecció Tèrmica, o TPS (per les sigles en anglès), que té 8 peus (2,4 metres) de diàmetre i 4,5 polzades (uns 115 mm de gruix). Aquestes poques polzades de protecció signifiquen que just a l'altre costat de l'escut, el cos de la nau espacial es trobarà a uns còmodes 85ºF (30ºC).

El TPS va ser dissenyat pel Laboratori de Física Aplicada de la Johns Hopkins, i va ser construït per Carbon-Carbon Advanced Technologies, usant una escuma composta de carboni intercalada entre dues plaques de carboni. Aquest aïllament lleuger s'acompanyarà d'un toc final de pintura ceràmica blanca a la placa orientada al sol, per reflectir la major quantitat de calor possible. Provat per suportar fins a 1.650 C (3.000 F), el TPS pot suportar qualsevol calor que el Sol pugui transmetre, mantenint gairebé tota la instrumentació segura.

Betsy Congdon, del Laboratori de Física Aplicada de Johns Hopkins, és la
principal enginyera tèrmica de l'escut que la sonda solar Parker de la
 NASA farà servir per protegir-se del sol. L'escut és tan robust que Congdon utilitza
un bufador en un costat i l'altre costat roman prou fred com per poder tocar-lo.
Crèdit: Centre de Vols Espacials Goddard de la NASA. YouTube

La copa que mesura el vent

Però no tots els instruments de la Sonda Solar Parker estaran darrere del TPS.

La Copa de la Sonda Solar és un dels dos instruments de la Sonda Solar Parker que no estaran protegits per l'escut tèrmic. Aquest instrument és el que es coneix com a copa de Faraday, un sensor dissenyat per mesurar els fluxos d'ions i electrons i els angles de flux del vent solar. A causa de la intensitat de l'atmosfera solar, es van haver de dissenyar tecnologies úniques per assegurar que no només l'instrument pugui sobreviure, sinó que també l'electrònica a bord pugui enviar lectures precises.

La copa en si està feta de làmines de Titani-Zirconi-Molibdè, un aliatge de molibdè, amb un punt de fusió d'aproximadament 4.260ºF (2.349ºC). Les reixetes que produeixen un camp elèctric per a la copa de la Sonda Solar estan fetes de tungstè, un metall amb el punt de fusió més alt conegut; 6.192ºF (3.422ºC). Normalment s'utilitzen làsers per gravar les línies de la quadrícula, però, a causa de l'alt punt de fusió va haver d'utilitzar-se àcid en el seu lloc.

L'escut tèrmic de la sonda solar Parker està format per dos panells de compost
de carboni i carboni sobreescalfat que formen un lleuger nucli d'escuma
de carboni de 4,5 polzades de gruix. Per reflectir la major quantitat possible
de l'energia solar lluny de la nau espacial, el costat orientat cap al sol de l'escut
tèrmic també es ruixa amb una capa blanca amb una fórmula especial.
Crèdit imatge: NASA/Johns Hopkins APL/Ed Whitman

Un altre desafiament es trobava en l'equip electrònic, la majoria dels cables es fondrien per l'exposició a la radiació de calor a una proximitat tan gran al Sol. Per resoldre aquest problema, l'equip va conrear tubs de vidre de safir per eliminar el cablejat i fer els cables de niobi.

Per assegurar que l'instrument estava a punt per al dur entorn, els investigadors necessitaven imitar la intensa radiació de calor del Sol en un laboratori. Per crear un nivell de calor digne de prova, els investigadors van haver d'improvisar un accelerador de partícules i projectors IMAX, per augmentar la seva temperatura. Els projectors imitaven la calor del Sol, mentre que l'accelerador de partícules exposava la copa a la radiació per assegurar-se que la copa pogués mesurar les partícules accelerades sota les condicions extremes. Per estar absolutament segurs que la tassa de la sonda solar resistiria l'ambient extrem, el forn solar d'Odelló a Font Romeu (Catalunya Nord), que concentra la calor del Sol a través de 10.000 miralls ajustables, es va utilitzar per provar la tassa contra la intensa emissió solar.

La Copa de la Sonda Solar va superar les seves proves amb èxit, de fet, va continuar funcionant millor i donant resultats més clars com més temps va estar exposada als ambients de prova. "Creiem que la radiació va eliminar qualsevol contaminació potencial", va dir Justin Kasper, investigador principal dels instruments SWEAP de la Universitat de Michigan a Ann Arbor. "Bàsicament es va netejar sol".

La nau espacial que es manté freda

Altres dissenys a la nau espacial mantenen la Sonda Solar Parker protegida de la calor. Sense protecció, els panells solars, que utilitzen l'energia de la mateixa estrella que s'està estudiant, i que proporcionen energia a la nau espacial, poden sobreescalfar-se. A cada acostament al Sol, els panells solars es retreuen darrere de l'ombra de l'escut tèrmic, deixant només un petit segment exposat als intensos rajos del Sol.

Però tan a prop del Sol, es necessita encara més protecció. Els panells solars tenen un sistema de refredament sorprenentment simple: un tanc escalfat que evita que el refrigerant es congeli durant el llançament, dos radiadors eviten que aquest es congeli, proveïts d'aletes d'alumini per maximitzar la superfície de refredament i bombes per fer circular el refrigerant. El sistema de refredament és prou potent com per refredar una sala d'estar de mida mitjana, i mantindrà els panells solars i la instrumentació frescos i funcionant mentre suportin la calor del Sol.

Quin és el refrigerant utilitzat pel sistema? Aproximadament un galó (3.7 litres) d'aigua desionitzada. Encara que hi ha molts refrigerants químics, el rang de temperatures a les que la nau espacial estarà exposada varia entre 50ºF (10ºC) i 257ºF (125ºC). Molt pocs líquids poden gestionar aquests rangs com l'aigua. Per evitar que l'aigua bulli a l'extrem més alt de les temperatures, aquesta es pressuritzarà de manera que el punt d'ebullició sigui superior a 257ºF (125ºC).
 
Clic per engrandir. Imatge: NASA/Glenn Benson

Un altre problema amb la protecció de qualsevol nau espacial és solucionar com comunicar-se amb ella. La sonda solar Parker estarà en gran part sola durant el seu viatge. La llum triga vuit minuts a arribar a la Terra, el que significa que si els enginyers haguessin de controlar la nau espacial des de la Terra, en el moment que alguna cosa sortís malament seria massa tard per corregir-ho.

Per tant, la nau espacial està dissenyada per mantenir-se de forma autònoma segura i en direcció cap al Sol. Diversos sensors, d'aproximadament la meitat de la mida d'un telèfon mòbil, estan connectats al cos de la nau espacial al llarg de la vora de l'ombra l'escut tèrmic. Si qualsevol d'aquests sensors detecta la llum del sol, alerten a l'ordinador central i la nau pot corregir la seva posició per mantenir els sensors i la resta dels instruments protegits de manera segura. Tot això ha de passar sense intervenció humana, de manera que el software de l'ordinador central ha estat programat i provat exhaustivament per garantir que totes les correccions es puguin realitzar sobre la marxa.

Llançament Cap al Sol

Després del llançament, la Sonda Solar Parker detectarà la posició del Sol, alinearà l'escut de protecció tèrmica per a enfrontar-s'hi i continuarà el seu viatge durant els propers tres mesos, abraçant la calor del Sol i protegint-se del fred buit de l'espai.

En el transcurs dels set anys planejats de durada de la missió, la nau espacial farà 24 òrbites a la nostra estrella. Cada vegada que s'acosti al Sol analitzarà el vent solar, estudiarà la corona del Sol, i proporcionarà observacions més properes i sense precedents al voltant de la nostra estrella, i equipat amb la seva gran quantitat de tecnologies innovadores, sabem que mantindrà la seva frescor tot el temps.