كيف ستحمي وكالة ناسا المسبار الشمسي من الحرارة المجنونة

تكريما لزخات الشهب في نهاية هذا الأسبوع:ForVMدش نيزكالاشياء خصم 15٪! تسوق هنا!

بواسطةتريسي فوغل / جامعة جونز هوبكنز

درع حراري يمكنك حرقه باستخدام موقد اللحام حتى يتوهج باللون الأحمر من جانب ويظل ملامسًا بشكل مريح للجانب الآخر سوف يحمي مسبار ناسا أثناء الطيران إلى مسافة 4 ملايين ميل (6.4 مليون كيلومتر) من سطح الشمس.

الدرع هو تتويج لسنوات من العمل من قبل المهندسين لحل ما يسمونه 'المشكلة الحرارية' التي سيتم إطلاقها قريبًاباركر سولار بروب.

'المشكلة الحرارية' هي طريقة مختصرة للإشارة إلى المضاعفات غير العادية للغوص المحطم للأرقام القياسية مباشرة في الغلاف الجوي الخارجي لنجمنا ، أو الهالة.



بينما يدور المسبار حول الشمس ويسجل البيانات باستخدام الأدوات الموجودة على متنه ، فإن نظام الحماية الحرارية الخاص به سوف يحمي المركبة الفضائية من الحرارة الأكثر كثافة مما شهدته أي مركبة فضائية على الإطلاق. إلى جانب نظام التبريد الذي يعمل بالماء ، سيحافظ نظام الحماية الحرارية على غالبية أدوات المسبار عند حوالي 85 درجة فهرنهايت (29.4 درجة مئوية) - أي ما يعادل يوم صيفي لطيف - بينما يتحمل نظام الحماية الحرارية نفسه درجة حرارة تصل إلى 2500 درجة. فهرنهايت (1،371 درجة مئوية).

بدون نظام الحماية الحرارية ، لا يوجد مسبار.

إليزابيث أبيلهو الرصاص الحراري TPS في مختبر الفيزياء التطبيقية بجامعة جونز هوبكنز. قالت:

كانت هذه هي التكنولوجيا التي مكنتنا من القيام بهذه المهمة - لتمكينها من الطيران. سيكون من المثير للغاية أن ترى شيئًا تضع فيه قدرًا كبيرًا من الطاقة والعمل الجاد ، لترى أنه يطير بالفعل. سيكون يوما عظيما.

مستكشف الطاقة الشمسية

من المتوقع إطلاق Parker Solar Probe يوم السبت 11 أغسطس 2018 من مركز كينيدي للفضاء في كيب كانافيرال. (تفتح نافذة الإطلاق يوم السبت 11 أغسطس وتستمر حتى 23 أغسطس).

خلال مهمته التي تستغرق سبع سنوات ، سيستكشف المسبار بعضًا من أعظم ألغاز الشمس: لماذا الرياح الشمسية نسيم أقرب إلى الشمس ولكن سيل أسرع من الصوت بعيدًا؟ لماذا الهالة نفسها أسخن بملايين الدرجات من سطحها؟ ما هي الآليات الكامنة وراء جزيئات الطاقة الشمسية سريعة الحركة بشكل مذهل والتي يمكن أن تتداخل مع المركبات الفضائية وتعطل الاتصالات على الأرض وتعرض رواد الفضاء للخطر؟

أمضى المهندسون أكثر من عقد من الزمان في إنشاء الدرع الواقي من الحرارة لصد أسوأ ما في طاقة الشمس. الوجهان الأمامي والخلفي مصنوعان من صفائح من الكربون الكربوني ، وهي مادة خفيفة الوزن تتمتع بخصائص ميكانيكية فائقة ومناسبة بشكل خاص لدرجات الحرارة المرتفعة.

مفهوم الفنان للمركبة الفضائية باركر سولار بروب تقترب من الشمس. ستوفر البعثة بيانات جديدة عن النشاط الشمسي وستقدم مساهمات حاسمة لقدرتنا على التنبؤ بأحداث طقس الفضاء الكبرى التي تؤثر على الحياة على الأرض. الصورة عبر وكالة ناسا.

عند أقل من عُشر البوصة ، تكون صفائح الكربون الكربوني رقيقة بدرجة كافية للانحناء. بينهما حوالي 4.5 بوصة (11.4 سم) من رغوة الكربون ، وعادة ما تستخدم في الطب لاستبدال العظام. يعمل تصميم الساندويتش هذا على تقوية كل شيء - مثل الورق المقوى المموج - مع السماح للواقي الحراري الذي يبلغ طوله 8 أقدام (2.4 متر) بوزن حوالي 160 رطلاً فقط.

الكربون نفسه يوصل الحرارة ، لكن رغوة الكربون تتكون من 97 في المائة من الهواء. ليس هناك الكثير من المواد التي يمكن للحرارة أن تنتقل خلالها. ستكون الدرع الحراري 2500 درجة فهرنهايت (1،371 درجة مئوية) على الجانب المواجه للشمس ، ولكن فقط 600 درجة فهرنهايت (316 درجة مئوية) في الخلف.

حتى خصائص تشتيت الحرارة المذهلة لرغوة الكربون لم تكن كافية لإبقاء المركبة الفضائية في درجة الحرارة المطلوبة. نظرًا لعدم وجود هواء في الفضاء لتوفير التبريد ، فإن الطريقة الوحيدة للمواد لطرد الحرارة هي تشتيت الضوء وإخراج الحرارة على شكل فوتونات. لذلك ، كان من الضروري وجود طبقة أخرى من الحماية: طلاء أبيض يعكس الحرارة والضوء.

إنه يعمل لأنه 'رديء'

بعد إجراء اختبارات مكثفة ، استقر الفريق على طلاء أساسه أكسيد الألومنيوم الأبيض اللامع. يمكن أن يتفاعل هذا الطلاء في درجات الحرارة المرتفعة ، مع الكربون الموجود في الدرع الحراري ويتحول إلى اللون الرمادي ، لذلك أضاف المهندسون طبقة من التنجستن ، أرق من خصلة الشعر ، بين الواقي الحراري والطلاء لمنع الاثنين من التفاعل. . لقد أضافوا منشطات نانوية لجعل الطلاء أكثر بياضًا ولمنع تمدد حبيبات أكسيد الألومنيوم عند تعرضها للحرارة.

ثم كان على المهندسين تحديد أفضل السبل لإنشاء الطلاء وتطبيقه.

الصورة عبر جريج ستانلي / جونز هوبكنز.

دينيس ناجل هو مهندس أبحاث رئيسي في مركز علوم وهندسة النظم. قال ناجل:

كان الأمر برمته يكافح للعثور على طلاء خزفي يعكس الضوء ويصدر الحرارة.

يقول Nagle عادةً ، عند العمل بالمينا ، يُفضل الطلاء الصلب غير المسامي - الذي سيتشقق عند اصطدامه بمطرقة. ولكن في ظل درجات الحرارة التي سيواجهها مسبار باركر الشمسي ، فإن الطلاء الأملس سيتحطم مثل نافذة تصطدم بصخرة.

بدلاً من ذلك ، كان الهدف هو طلاء مسامي بشكل موحد يتحمل البيئات القاسية. عندما تبدأ الشقوق بطبقة مسامية ، فإنها ستتوقف عندما تصطدم بالمسام. تشكل الطلاء عدة طبقات خشنة محببة - يكفي أن تعكس مجموعة واحدة من حبيبات السيراميك الضوء الذي تفتقده طبقة أخرى. قال ناجل مازحا:

دائمًا ما أخبر الناس أنها تعمل لأنها طبقة رديئة. إذا كنت ترغب في صنع طلاء جيد ، فسوف يفشل.

بعد إطلاق المسبار ، سوف يطير مرارًا وتكرارًا متجاوزًا كوكب الزهرة ، ويقترب تدريجيًا من الشمس أكثر فأكثر ، وأقرب بكثير حتى من عطارد ، الكوكب الأعمق ، والذي لا يزال في أقرب مكان له على بعد أكثر من 28 مليون ميل (45 مليون كيلومتر). عند الاقتراب الأقرب ، ستسافر المركبة الفضائية حول الشمس بسرعة حوالي 430 ألف ميل في الساعة (692 ألف كيلومتر في الساعة).

خلاصة القول: يصف العلماء الدرع الحراري لمسبار باركر الشمسي.

عبر جامعة جونز هوبكنز