סיבי פחמן מגבירים את משימת השיגור האפית של נאס"א

12 באוגוסט, בשעה 15:31 שעון בייג'ינג, שוגר גלאי השמש ההיסטורי של פארק (Parker Solar Probe) בבסיס חיל האוויר קייפ קנוורל, מדגם slc-37b, באמצעות רקטות כבדות של דלתא 4. לאחר טיסה של 43 דקות, למרות שהתקופה חוותה חשד לאובדן של רגע מרגש ברמה שלישית, למרבה המזל, מדובר בכמעט-החמצה האולטימטיבית, גלאי פארקר נפרד בהצלחה מהרקטה, דרכה על הדרך הארוכה אל השמש, וכך פתח את המסע החדש של חקר השמש האנושי!

גלאי שמש

אתר ההשקה

כדי ליצור שיא עולם בהגעה לנקודה הקרובה ביותר בשמש, אנשים צריכים למצוא חומרים שיכולים לעמוד ברמות חסרות תקדים של טמפרטורות גבוהות במיוחד. ניתן לומר שאם אין מערכת הגנה תרמית (TPS), אין פארקר. על פי התוכנית, פארקר ייכנס למרחק של 4 מיליון מייל מפני השמש (6.11 מיליון ק"מ). על מנת להסתגל לסביבה החמה ביותר הזו, הגלאי יישא מגן חום מרוכב, והכיפה תעמוד בפני הבוהק מהשמש. מגן החום לא היה יכול להיות מיוצר לפני 10 שנים.

אם אתם לוויין בגודל מטר מרובע במסלול סביב כדור הארץ, ואנרגיית השמש להגיע אליכם היא כ-1350 וואט, אבל פארקר קרוב פי 25 בערך ממיקום זה, שהם כ-850,000 וואט של חום למטר מרובע. אם סופרים את השטח, הגשושית הסולארית של פארקר חייבת לעמוד בכ-3 מיליון וואט של אנרגיה. מגן החום של הגלאי ידוע גם בשם מערכת הגנה תרמית (TPS), המורכב משתי שכבות מרוכבות משופרות בפחמן וקצף פחמן עם מהדק ביניים של כ-4.5 אינץ' (11.43 ס"מ). מגן החום הפונה אל השמש כולל גם ציפוי לבן מיוחד כדי להחזיר את אנרגיית השמש ככל האפשר. חומר זה עמיד בפני 2,500 מעלות פרנהייט (כ-1371 ℃) ומבטיח שהמכשיר יפעל בכ-85 מעלות פרנהייט (כ-30 ℃).

"אם משימה זו הייתה בשנות ה-60 עד ה-70, אפילו כשהיא נפרסה בשנות ה-80, ניתן היה להטיס מתכות עמידות בחום גבוה", אמר דריסמן. "מדענים יבנו ג'רדון מתכתי עם נקודת התכה גבוהה מאוד, אך לעולם לא ישלחו אותו לגן עדן, מכיוון שהמתכת כבדה מדי. "בניגוד לרוב סיבי הפחמן המסחריים, מבנה הפחמן-פחמן שלהם אינו עובר פילמור על ידי שרפים מתקשים מכיוון ששרפים מתאדים ליד השמש כמו נפט על משטחי כביש חמים", אמר. כדי לייצר את מגן החום, נאס"א ממלאת את השרף ב"סיבי פחמן קצוצים", לאחר מכן מקשה את השרף, אופה אותו בתנור בטמפרטורה של 3,000 מעלות וחוזרת על התהליך 4 עד 5 פעמים. "בסופו של דבר תקבלו את סיבי הפחמן שעוטפים אתכם. מבנה הפחמן-פחמן שאנחנו מדברים עליו הוא פחמן טהור, ללא שרפים וחומרים אחרים. "הצדדים הקדמיים והאחוריים של המגן התרמי עשויים מלוח פחמן-פחמן זה, אשר, בנוסף להיותו מבודד, בעל חוזק מכני חזק מאוד." שתי שכבות של יריעות פחמן-פחמן דקות מספיק כדי להתכופף ואף לחפוף. באמצע חומר פחמן-פחמן דו-שכבתי, שכבה של כ-4.5 אינץ' של קצף פחמן, המשמש כיום בדרך כלל בתעשייה הרפואית ליצירת עצמות חלופיות. עיצוב הסנדוויץ' תומך במבנה כולו - דמוי קרטון גלי - ששוקל רק כ-160 פאונד (כ-73 ק"ג) עבור מגן החום כולו בעובי 8 רגל.

קצף הוא גם המבנה החשוב ביותר של בידוד מגן תרמי. אבל 97% מבועת הפחמן הוא אוויר, על מנת להפחית עוד יותר את משקלן של חלליות החלל. הפחמן עצמו מוליך תרמית, ומבנה הקצף גם אומר שאין כל כך הרבה חום שיועברו. בועות אינן קלות לבדיקה, הן שבירות ביותר. אבל יש בעיה נוספת. "כאשר הן מתחממות, הן נשרפות", אמר אבל. שריפה אינה בעיה גדולה בוואקום, אבל האוויר שנותר בבדיקה יגרום לבועות להישרף לפחם. לכן, מהנדסי המעבדה הלאומית של אוק רידג' השתמשו במנורות קשת פלזמה בטמפרטורה גבוהה כדי לבדוק את מגן החום של קצף הפחמן הזה ועמידות בטמפרטורה גבוהה. הבידוד התרמי של קצף הפחמן הזה לבדו אינו מספיק כדי להבטיח שהגלאים יעבדו בטמפרטורה הנדרשת. מכיוון שאין פיזור אוויר בחלל, הדרך היחידה לפזר חום היא פיזור אור ופליטת חום בצורת פוטונים. לכן, נדרשת שכבת מגן נוספת: שכבת מגן לבנה משמשת להחזרת חום ואור.

תרשים סכמטי של מבנה המגן התרמי של פארקר

לשם כך, המעבדה לפיזיקה יישומית באוניברסיטת ג'ונס הופקינס ומעבדת הטכנולוגיה המתקדמת של בית הספר להנדסה וייטינג (מעבדת טכנולוגיה מתקדמת בבית הספר להנדסה וייטינג של אוניברסיטת ג'ונס הופקינס) הקימו צוות מומחים של ציפויי בידוד תרמי יוקרתיים במיוחד, עם צוות מחקר המכסה קרמיקה בטמפרטורה גבוהה, ציפויים כימיים וציפויי ריסוס פלזמה. באמצעות בדיקות נוספות, הצוות בחר בסופו של דבר בשכבת הגנה לבנה המבוססת על אלומינה. אך שכבת ההגנה תאפר בסביבה בטמפרטורה גבוהה עם תגובת פחמן, ולכן המהנדסים הוסיפו שכבת טונגסטן באמצע, דקה יותר מהשיער, וציפו בין מגן החום למגן הלבן כדי למנוע אינטראקציה בין שתי השכבות. הם גם הוסיפו חומר ננו-סימום כדי להפוך את המגנים ללבנים יותר ולמנוע התפשטות תרמית של חלקיקי אלומינה. דניס נגל, מהנדס מחקר ראשי במרכז למדעי המערכות והנדסה, אמר שבדרך כלל בעת שימוש בקרמיקה, עדיף ציפוי קשיח ונקבובי, אך החומר נשבר כשמכים בפטיש. בטמפרטורה שבה מתמודד פרקר, הציפוי החלק נשבר כמו חלון שנפגע מאבן. לכן, אפילו ציפויים נקבוביים יכולים לעמוד בסביבה קיצונית זו. כאשר נוצרים סדקים בציפויים נקבוביים, הסדקים נעצרים כשהם מגיעים לנקבוביות. הציפוי מורכב מכמה שכבות גרגיריות גסות - מספיק כדי לאפשר לקבוצת חלקיקים קרמיים להחזיר את האור החסר משכבה אחרת.