12. avgusta ob 15:31 po pekinškem času je detektor sonca v zgodovinskem parku (Parker Solar Probe) na letalski bazi Cape Canaveral izstrelil raketo s težko raketo Delta 4 slc-37b. Po 43-minutnem letu, čeprav je bilo v tem obdobju suma na tretjo stopnjo izgube vznemirljivega trenutka, se je na srečo Parkerjev detektor uspešno ločil od rakete, stopil na dolgo pot do sonca in tako odprl novo pot človeškega raziskovanja sonca!
Da bi postavili svetovni rekord v dosegu najbližje točke na soncu, morajo ljudje najti materiale, ki lahko prenesejo izjemno visoke temperature. Lahko rečemo, da če ni sistema toplotne zaščite (TPS), ni Parkerja. Po načrtu bo Parker prodrl 4 milijone milj od sončne površine (6,11 milijona km). Da bi se detektor prilagodil temu izjemno vročemu okolju, bo imel kompozitni toplotni ščit, kupola pa bo odporna na bleščanje sonca. Toplotnega ščita pred 10 leti ne bi mogli izdelati.
Če ste satelit s površino 1 kvadratnega metra v Zemljini orbiti in je sončna energija približno 1350 vatov, da vas doseže, je Parker približno 25-krat bližje od tega položaja, kar je približno 850.000 vatov toplote na kvadratni meter. Če se šteje površina, mora Parkerjeva sončna sonda prenesti približno 3 milijone vatov energije. Toplotni ščit detektorja je znan tudi kot sistem toplotne zaščite (TPS), ki je sestavljen iz dveh kompozitnih plasti, okrepljenih z ogljikom, in ogljikove pene z vmesno objemko približno 4,5 palca (11,43 cm). Toplotni ščit, obrnjen proti soncu, ima tudi poseben bel premaz, ki čim bolj odbija sončno energijo. Ta material je odporen na 2500 stopinj Fahrenheita (približno 1371 ℃) in zagotavlja, da instrument deluje pri približno 85 stopinjah Fahrenheita (približno 30 ℃).
»Če je bila ta naloga v 60. do 70. letih prejšnjega stoletja, je tudi v 80. letih prejšnjega stoletja mogoče leteti z visoko toplotno odpornimi kovinami,« je dejal Driesman. »Znanstveniki bodo zgradili kovinski Jerdon z zelo visokim tališčem, vendar ga nikoli ne bodo poslali v nebesa, ker je kovina pretežka. Za razliko od večine komercialnih ogljikovih vlaken njihova ogljik-ogljikova struktura ni polimerizirana s strjevanjem smol, ker strjene smole izhlapevajo blizu sonca kot olje na vročih cestnih površinah,« je dejal. Za izdelavo toplotnega ščita NASA smolo napolni s »sesekljanimi ogljikovimi vlakni«, nato smolo strdi, jo speče v pečici pri 3000 stopinjah Celzija in postopek ponovi 4- do 5-krat. »Sčasoma boste dobili ogljikova vlakna, ki so ovita okoli vas. Ogljik-ogljikova struktura, o kateri govorimo, je čisti ogljik, brez smol in drugih snovi. Sprednja in zadnja stran toplotnega ščita sta izdelani iz te ogljik-ogljikove plošče, ki ima poleg izolacije tudi zelo močno mehansko trdnost.« Dve plasti ogljik-ogljikovih plošč sta dovolj tanki, da se lahko upogneta in celo prekrivata. Sredi dvoslojnega ogljik-ogljikovega materiala je plast približno 11 cm debele ogljikove pene, ki se danes običajno uporablja v medicinski industriji za ustvarjanje alternativnih kosti. Sendvič zasnova podpira celotno strukturo – podobno valovitemu kartonu – ki tehta le 73 kg za celoten 2,4 metra debel toplotni ščit.
Pena je tudi najpomembnejša struktura toplotne izolacije. Vendar pa je 97 % ogljikovega mehurčka zrak, kar dodatno zmanjšuje težo vesoljskih sond. Ogljik sam po sebi je toplotno prevoden, penasta struktura pa pomeni tudi, da se ne prenaša toliko toplote. Mehurčkov ni enostavno preizkusiti, saj so izjemno krhki. Vendar pa obstaja še ena težava. "Ko se segrejejo, gorijo," je dejal Abel. Gorenje v vakuumu ni velik problem, vendar bo preostali zrak v testu povzročil, da se mehurčki sežgejo v oglje. Zato so inženirji Nacionalnega laboratorija Oak Ridge s pomočjo visokotemperaturnih plazemskih obločnih svetilk preizkusili toplotni ščit teh ogljikovih pen na visoko temperaturno odpornost. Samo toplotna izolacija teh ogljikovih pen ni dovolj, da bi zagotovila, da bodo detektorji delovali pri zahtevani temperaturi. Ker v vesolju ni odvajanja zraka, je edini način za odvajanje toplote razprševanje svetlobe in oddajanje toplote v obliki fotonov. Zato je potrebna še ena zaščitna plast: bela zaščitna plast se uporablja za odbijanje toplote in svetlobe.
Shematski diagram strukture termičnega ščita sončnega detektorja Parker
V ta namen sta Laboratorij za uporabno fiziko na Univerzi Johns Hopkins in Laboratorij za napredno tehnologijo Inženirske fakultete Whiting (Advanced Technology Laboratory in Johns Hopkins's Whiting School Engineering) oblikovala ekipo strokovnjakov za super luksuzne toplotnoizolacijske premaze, ki raziskujejo visokotemperaturno keramiko, kemične in plazemsko brizgalne premaze. Z nadaljnjim testiranjem se je ekipa na koncu odločila za belo zaščitno plast na osnovi aluminijevega oksida. Vendar bi zaščitna plast v okolju visoke temperature zaradi reakcije z ogljikom postala siva, zato so inženirji na sredino dodali plast volframa, tanjšo od lasu, in jo nanesli med toplotni ščit in beli ščit, da bi preprečili interakcijo med obema plastema. Dodali so tudi nanodopirno sredstvo, da bi ščiti postali bolj beli in preprečili toplotno raztezanje delcev aluminijevega oksida. Dennis Nagle, glavni raziskovalni inženir v Centru za sistemske znanosti in inženirstvo, je povedal, da je pri uporabi keramike običajno prednostna tog, porozen premaz, vendar se material zlomi, ko ga udarimo s kladivom. Pri temperaturi, ki ji je izpostavljen Parker, se gladek premaz zlomi kot okno, ki ga udari kamen. Zato lahko tudi porozni premazi prenesejo to ekstremno okolje. Ko se v poroznih premazih pojavijo razpoke, se te ustavijo, ko dosežejo pore. Premaz je sestavljen iz več grobih zrnatih plasti – dovolj, da skupina keramičnih delcev odbija manjkajočo svetlobo iz druge plasti.
Čas objave: 15. avg. 2018