12. srpna v 15:31 pekingského času byl na letecké základně Cape Canaveral odpálen detektor sluneční soustavy Historic Park Sun (Parker Solar Probe) s těžkými raketami Delta 4. Po 43minutovém letu, ačkoliv došlo k třetímu stupni podezření ze ztráty vzrušujícího okamžiku, naštěstí se detektor Parker úspěšně oddělil od rakety, vydal se na dlouhou cestu ke Slunci a tím zahájil novou cestu lidského objevování Slunce!
Detektor slunce
Místo startu
Aby bylo možné vytvořit světový rekord v dosažení nejbližšího bodu na Slunci, musí lidé najít materiály, které odolají nebývalým úrovním ultravysokých teplot. Dá se říci, že pokud neexistuje systém tepelné ochrany (TPS), neexistuje Parker. Podle plánu se Parker dostane do vzdálenosti 4 milionů mil od povrchu Slunce (6,11 milionu km). Aby se detektor přizpůsobil tomuto extrémně horkému prostředí, bude nést kompozitní tepelný štít, jehož kopule odolá oslnění sluncem. Tepelný štít nemohl být vyroben před 10 lety.
Pokud jste satelit o rozloze 1 metr čtvereční na oběžné dráze Země a sluneční energie k dosažení vaší polohy je asi 1350 wattů, ale Parker je asi 25krát blíže než tato pozice, což je asi 850 000 wattů tepla na metr čtvereční. Pokud se počítá plocha, Parkerova solární sonda musí odolat energii asi 3 milionů wattů. Tepelný štít detektoru je také známý jako systém tepelné ochrany (TPS), skládající se ze dvou vrstev kompozitu vylepšeného uhlíkem a uhlíkové pěny s mezilehlou svorkou o délce asi 4,5 palce (11,43 cm). Tepelný štít směřující ke Slunci má také speciální bílý povlak, který co nejvíce odráží energii ze slunce. Tento materiál je odolný vůči teplotám 2 500 stupňů Fahrenheita (asi 1371 ℃) a zajišťuje, že přístroj pracuje při teplotě asi 85 stupňů Fahrenheita (asi 30 ℃).
„Pokud byl tento úkol v 60. až 70. letech, i při nasazení v 80. letech je možné létat s kovy odolnými vůči vysokým teplotám,“ řekl Driesman. „Vědci postaví kovový Jerdon s velmi vysokým bodem tání, ale nikdy ho nepošlou do nebe, protože kov je příliš těžký. Na rozdíl od většiny komerčních uhlíkových vláken není jejich struktura uhlík-uhlík polymerována tvrdnutím pryskyřic, protože tvrdé pryskyřice se odpařují v blízkosti slunce jako olej na horkém povrchu vozovky,“ řekl. Pro výrobu tepelného štítu NASA naplní pryskyřici „nasekanými uhlíkovými vlákny“, poté pryskyřici vytvrdí, vypálí v peci o teplotě 3 000 stupňů a proces opakuje 4 až 5krát. Nakonec získáte uhlíková vlákna, která vás obalí. Struktura uhlík-uhlík, o které mluvíme, je čistý uhlík, bez pryskyřic a dalších látek. Přední a zadní strana tepelného štítu jsou vyrobeny z této desky uhlík-uhlík, která kromě izolace má také velmi silnou mechanickou pevnost.“ Dvě vrstvy uhlík-uhlíkových fólií jsou dostatečně tenké, aby se daly ohýbat a dokonce i překrývat. Uprostřed dvouvrstvého uhlík-uhlíkového materiálu je vrstva asi 4,5 palce silné uhlíkové pěny, která se dnes běžně používá v lékařství k vytváření alternativních kostí. Sendvičový design podpírá celou konstrukci – podobnou vlnité lepence – která váží pouhých 160 liber (asi 73 kg) pro celý 2,4 metru silný tepelný štít.
Pěna je také nejdůležitější strukturou tepelného štítu, která slouží jako izolační prvek. Uhlíková bublina je však z 97 % tvořena vzduchem, což dále snižuje hmotnost vesmírných sond. Samotný uhlík je tepelně vodivý a díky pěnové struktuře se nepřenáší tolik tepla. Bubliny se obtížně testují, jsou extrémně křehké. Je tu však další problém. „Když se zahřejí, hoří,“ řekl Abel. Hoření ve vakuu není velký problém, ale zbývající vzduch v testu způsobí, že se bubliny spálí na dřevěné uhlí. Proto inženýři z Národní laboratoře Oak Ridge testovali tepelný štít z těchto uhlíkových pěn na vysokou teplotní odolnost pomocí plazmových obloukových lamp. Samotná tepelná izolace těchto uhlíkových pěn nestačí k zajištění požadované teploty detektorů. Protože ve vesmíru nedochází k rozptylu vzduchu, jediným způsobem, jak rozptylovat teplo, je rozptyl světla a vyzařování tepla ve formě fotonů. Proto je zapotřebí další ochranná vrstva: bílá ochranná vrstva, která odráží teplo a světlo.
Schéma konstrukce tepelného štítu solárního detektoru Parker
Za tímto účelem vytvořila Laboratoř aplikované fyziky na Univerzitě Johnse Hopkinse a Laboratoř pokročilých technologií na Whiting School of Engineering (Advanced Technology Laboratory na Whiting School Engineering na Univerzitě Johnse Hopkinse) tým expertů na super luxusní tepelně izolační nátěry, jejichž výzkum zahrnuje vysokoteplotní keramiku, chemické a plazmové stříkací povlaky. Prostřednictvím dalšího testování se tým nakonec rozhodl pro bílou ochrannou vrstvu na bázi oxidu hlinitého. Ochranná vrstva by však ve vysokoteplotním prostředí s uhlíkovou reakcí zešedla, a tak inženýři přidali doprostřed vrstvu wolframu, tenčí než vlasy, a nanesli ji mezi tepelný štít a bílý štít, aby se zabránilo interakci mezi oběma vrstvami. Také přidali nanodopující činidlo, aby štíty byly bělejší a zabránili tepelné roztažnosti částic oxidu hlinitého. Dennis Nagle, hlavní výzkumný inženýr v Centru pro systémové vědy a inženýrství, uvedl, že při použití keramiky se obvykle preferuje tuhý, porézní povlak, ale materiál se při úderu kladivem rozbije. Při teplotě, které je Parker vystaven, se hladký povlak rozbije jako okno zasažené kamenem. Proto i porézní povlaky vydrží toto extrémní prostředí. Když se v porézních povlacích objeví trhliny, zastaví se, jakmile dosáhnou pórů. Povlak se skládá z několika hrubých zrnitých vrstev – dostatečných na to, aby skupina keramických částic mohla odrážet chybějící světlo z jiné vrstvy.
Čas zveřejnění: 15. srpna 2018