北京時間8月12日午後3時31分、ケープカナベラル空軍基地のヒストリックパーク太陽探査機（パーカー・ソーラー・プローブ）は、デルタ4重ロケットによってSLC-37Bロケットに搭載され、打ち上げられた。43分間の飛行中、3度目の喪失の危機に瀕したが、幸いにもニアミスは発生せず、パーカー・ソーラー・プローブはロケットから無事に分離され、太陽への長い道のりに足を踏み入れ、人類の太陽探査の新たな旅の幕を開けた。
太陽検出器
発射場
太陽に最も近い地点に到達する世界記録を樹立するには、前例のない超高温に耐えられる材料を見つけなければなりません。熱防護システム（TPS）がなければパーカーは存在しないと言えるでしょう。計画によると、パーカーは太陽表面から400万マイル（611万km）の距離まで到達します。この極度の高温環境に適応するため、検出器には複合材製の熱シールドが搭載され、ドームは太陽のまぶしさに耐えます。この熱シールドは10年前には実現不可能でした。
地球の軌道上にある1平方メートルの衛星だとすると、太陽のエネルギーが届くのに約1350ワットかかりますが、パーカーはこの位置より約25倍近いので、1平方メートルあたり約85万ワットの熱になります。面積で計算すると、パーカーの太陽探査機は約300万ワットのエネルギーに耐えなければなりません。検出器の熱シールドは、熱保護システム（TPS）とも呼ばれ、2つの炭素強化複合層と、約4.5インチ（11.43cm）の中間クランプを備えた炭素フォームで構成されています。太陽に面した熱シールドには、太陽からのエネルギーを最大限に反射するための特殊な白いコーティングもあります。この材料は2,500度（約1371℃）に耐えることができ、機器が約85度（約30℃）で動作することを保証します。
「もしこの作業が60年代から70年代に行われていたとしても、80年代に実用化されたとしても、耐熱性の高い金属を飛ばすことは可能だったでしょう」とドリーズマン氏は述べた。「科学者たちは融点が非常に高い金属製のジャードンを建造しますが、金属が重すぎるため、それを天に送ることは決してありません。」「市販されているほとんどの炭素繊維とは異なり、その炭素繊維構造は硬化樹脂によって重合されません。硬化樹脂は、高温の路面の油のように太陽の近くで蒸発してしまうからです」と彼は述べた。この耐熱シールドを作るために、NASAは樹脂に「細断された炭素繊維」を充填し、樹脂を硬化させて3,000度のオーブンで焼き、この工程を4～5回繰り返します。「最終的に、皆さんが身にまとう炭素繊維が完成します。私たちが話している炭素繊維構造は、樹脂やその他の物質を含まない純粋な炭素です。」 「熱シールドの前面と背面は、このカーボンカーボンプレートで作られています。断熱性に加え、非常に高い機械的強度を備えています。」2層のカーボンカーボンシートは、曲げたり重ね合わせたりできるほど薄くなっています。2層のカーボンカーボン素材の中央には、約12cm厚のカーボンフォーム層が配置されています。これは現在、医療業界で人工骨の作成に広く使用されています。このサンドイッチ構造が、まるで段ボールのような構造全体を支えており、厚さ8フィート（約2.4メートル）の熱シールド全体でわずか160ポンド（約73kg）の重さです。
発泡体は断熱シールド機能において最も重要な構造です。しかし、宇宙探査機の重量をさらに軽減するために、カーボンバブルの97%は空気です。カーボン自体が熱伝導性があり、発泡構造によって熱伝達も少なくなります。バブルは非常に脆く、試験が容易ではありません。しかし、もう一つ問題があります。「高温になると燃えてしまう」のです。 「アベル氏はこう語った。真空中での燃焼は大きな問題ではないが、試験室に残留した空気によって気泡が焦げて炭化する。そのため、国立オークリッジ研究所のエンジニアは、高温プラズマアークランプを用いてこれらの炭素フォームの耐熱シールドの耐熱性を試験した。これらの炭素フォームの断熱性だけでは、検出器が必要な温度で動作することを保証するには不十分だ。宇宙空間では空気による放散がないため、熱を放散させる唯一の方法は、光を散乱させ、光子の形で熱を放出することだ。そのため、別の保護層、つまり熱と光を反射する白い保護層が必要になる。
パーカーソーラーディテクターの熱シールド構造の概略図
この目的のため、ジョンズ・ホプキンス大学応用物理学研究所とホワイティング工学部先端技術研究所（ジョンズ・ホプキンス大学ホワイティング工学部先端技術研究所）は、超高級断熱コーティングの専門家チームを結成し、高温セラミック、化学コーティング、プラズマ溶射コーティングなどを研究対象としています。さらなる試験を経て、チームは最終的にアルミナをベースとした白い保護層を選択しました。しかし、この保護層は高温環境で炭素と反応して灰色に変色するため、エンジニアは髪の毛よりも薄いタングステン層を中間層に追加し、熱シールドと白いシールドの間にコーティングすることで、2層間の相互作用を防ぎました。また、シールドをより白くし、アルミナ粒子の熱膨張を防ぐため、ナノドーピング剤も添加しました。システム科学工学センターの主任研究エンジニアであるデニス・ネーグル氏は、通常、セラミックを使用する場合は硬質で多孔質のコーティングが好まれるが、ハンマーで叩くと材料が壊れてしまうと述べています。パーカーが直面する温度では、滑らかなコーティングは石がぶつかった窓のように割れてしまいます。そのため、多孔質コーティングであっても、この過酷な環境に耐えることができます。多孔質コーティングに亀裂が生じた場合、亀裂は細孔に達すると止まります。コーティングは複数の粗い粒子層で構成されており、セラミック粒子の集合体が他の層からの光を反射できるほどの十分な層構造となっています。
投稿日時: 2018年8月15日