Beijing-tid 12. august kl. 15:31 ble den historiske Park Sun-detektoren (Parker Solar Probe) ved Cape Canaveral Air Force Base, en slc-37b-oppskytning med en tung Delta 4-raketter, skutt opp. Etter en 43-minutters flytur, selv om perioden opplevde en tredjedels mistenkt tap av det spennende øyeblikket, heldigvis var det den ultimate nestenulykken. Parker-detektoren klarte å skille seg fra raketten, sette foten på den lange veien til solen, og dermed åpnet den nye reisen for menneskelig utforskning av solen!
Soldetektor
Lanseringssted
For å sette en verdensrekord i å nå nærmeste punkt på solen, må folk finne materialer som tåler enestående nivåer av ultrahøye temperaturer. Man kan si at hvis det ikke finnes et termisk beskyttelsessystem (TPS), finnes det ingen Parker. I følge planen skal Parker bevege seg 6,11 millioner km fra soloverflaten. For å tilpasse seg dette ekstremt varme miljøet skal detektoren ha et komposittvarmeskjold, og kuppelen skal tåle gjenskinnet fra solen. Varmeskjoldet kunne ikke ha blitt laget for 10 år siden.
Hvis du er en satellitt på 1 kvadratmeter i bane rundt jorden, og solens energi er omtrent 1350 watt for å nå deg, er Parker omtrent 25 ganger nærmere enn denne posisjonen, som er omtrent 850 000 watt varme per kvadratmeter. Hvis arealet telles, må Parkers solsonde tåle omtrent 3 millioner watt energi. Detektorens varmeskjold er også kjent som Thermal Protection System (TPS), som består av to karbonforsterkede komposittlag og et karbonskum med en mellomliggende klemme på omtrent 11,43 cm. Varmeskjoldet som vender mot solen har også et spesielt hvitt belegg for å reflektere energien fra solen så mye som mulig. Dette materialet er motstandsdyktig mot 2500 grader Fahrenheit (omtrent 1371 ℃) og sikrer at instrumentet opererer ved omtrent 30 ℃.
«Hvis denne oppgaven var på 60- til 70-tallet, selv når den ble utplassert på 80-tallet, er det mulig å fly svært varmebestandige metaller», sa Driesman. «Forskere vil bygge en metallisk Jerdon med et veldig høyt smeltepunkt, men aldri sende den til himmelen, fordi metallet er for tungt. I motsetning til de fleste kommersielle karbonfibre, polymeriseres ikke karbon-karbon-strukturen deres av herdende harpikser fordi herdede harpikser fordamper nær solen som olje på varme veibaner», sa han. For å lage varmeskjoldet fyller NASA harpiksen med «hakket karbonfiber», herder deretter harpiksen, steker den i en ovn på 3000 grader og gjentar prosessen 4 til 5 ganger. «Til slutt vil du få karbonfiberen som er pakket rundt deg. Karbon-karbon-strukturen vi snakker om er rent karbon, fri for harpikser og andre stoffer. Forsiden og baksiden av varmeskjoldet er laget av denne karbon-karbon-platen, som i tillegg til å være isolert, har en veldig sterk mekanisk styrke.» To lag med karbon-karbon-ark er tynne nok til å bøye seg og til og med overlappe hverandre. Midt i et tolags karbon-karbon-materiale ligger et lag på omtrent 11 cm karbonskum, som nå vanligvis brukes i medisinsk industri for å lage alternative bein. Sandwich-designet støtter opp hele strukturen – som bølgepapp – som bare veier omtrent 73 kg for hele det 2,4 meter tykke varmeskjoldet.
Skum er også den viktigste strukturen for termisk skjoldisoleringsfunksjon. Men 97 % av karbonboblen er luft, for å redusere vekten av romsonder ytterligere. Karbonet i seg selv er termisk ledende, og skumstrukturen betyr også at det ikke er så mye varme som kan overføres. Bobler er ikke enkle å teste, de er ekstremt sprø. Men det er et annet problem. «Når de blir varme, brenner de,» sa Abel. Brenning er ikke et stort problem i vakuum, men den gjenværende luften i testen vil føre til at boblene svir seg til kull. Derfor brukte ingeniører ved National Oak Ridge Laboratory høytemperatur plasmabuelamper for å teste varmeskjoldet til disse karbonskummene høytemperaturmotstand. Varmeisolasjonen til disse karbonskummene alene er ikke nok til å garantere at detektorene vil fungere ved ønsket temperatur. Fordi det ikke er noen luftspredning i rommet, er den eneste måten å spre varme på å spre lys og avgi varme i form av fotoner. Derfor er det behov for et annet beskyttende lag: et hvitt beskyttende lag brukes til å reflektere varme og lys.
Skjematisk diagram av Parker Solar Detectors termiske skjoldstruktur
For dette formålet har Applied Physics Laboratory ved Johns Hopkins University og Advanced Technology Laboratory ved Whiting School of Engineering (Advanced Technology Laboratory ved Johns Hopkins Universitys Whiting School Engineering) dannet et team av ekspertteam innen termisk isolerende belegg, som forsker på høytemperaturkeramikk, kjemiske belegg og plasmasprøytebelegg. Gjennom videre testing valgte teamet til slutt et hvitt beskyttelseslag basert på alumina. Men det beskyttende laget ville bli grått i et miljø med høy temperatur under en karbonreaksjon, så ingeniørene la til et lag med wolfram i midten, tynnere enn håret, og belagt mellom varmeskjoldet og det hvite skjoldet for å forhindre interaksjon mellom de to lagene. De tilsatte også et nanodopingsmiddel for å gjøre skjoldene hvitere og forhindre termisk utvidelse av aluminapartiklene. Dennis Nagle, sjefsforskningsingeniør ved Center for Systems Science and Engineering, sa at vanligvis når man bruker keramikk, foretrekkes et stivt, porøst belegg, men materialet knekker når det slås med en hammer. Ved den temperaturen Parker står overfor, knekker det glatte belegget som et steintruffet vindu. Derfor kan selv porøse belegg tåle dette ekstreme miljøet. Når det oppstår sprekker i porøse belegg, stopper sprekkene når de når porene. Belegget består av flere grovkornede lag – nok til at en gruppe keramiske partikler kan reflektere det manglende lyset fra et annet lag.
Publisert: 15. august 2018