De Parker Solar Probe gaat de Zon aanraken

De Parker Solar Probe
Artist impression van de Parker Solar Probe die de Zon van dichtbij gaat bestuderen

Voor het eerst gaat een ruimtesonde de Zon aanraken. De Parker Solar Probe van de NASA gaat 24 banen om de Zon beschrijven en duikt daarna de buitenste delen van de atmosfeer, de corona, in. Tijdens de dichtste nadering zal de ruimtesonde de Zon op een afstand van slechts 6 miljoen kilometer passeren. Zo dicht heeft een ruimtesonde de Zon nog nooit genaderd.

De lancering van de Parker Solar Probe is gepland voor 31 juli 2018 vanaf cape Canaveral in Florida. De ruimtesonde zal het transport van hitte en energie door de corona onderzoeken en ook proberen te achterhalen welke processen schuilgaan achter de versnelling van de zonnewind. Deze zonnewind beïnvloedt de Aarde en de andere planeten in ons zonnestelsel. De ruimtesonde is vernoemd naar de astrofysicus Eugene Parker die voor het eerst stelde dat materie met hoge snelheid en magnetisme constant van de Zon ontsnapt en dat dit van invloed is op de planeten en de ruimte in ons zonnestelsel. Dit fenomeen is bekend als de zonnewind.

De Parker Solar Probe moet vragen gaan beantwoorden waar astronomen al meer dan 50 jaar naar zoeken. De ruimtesonde is uitgerust met allerlei technische hoogstandjes en moet o.a. uitzoeken waarom de corona van de Zon veel heter is dan het oppervlak.

Leven met een ster

De Zon is de voornaamste bron van licht en warmte op Aarde maar dat is niet de enige manier waarop de Zon de Aarde beïnvloed. De zonnewind bestaat uit een stroom van geladen deeltjes die door de Zon wordt uitgeblazen en die met een snelheid van meer dan 400 kilometer per seconde de Aarde raken en voorbijschieten. Verstoringen in de zonnewind zijn van invloed op het magnetisch veld van de Aarde en voeren energie toe aan de stralingsgordels die de Aarde beschermen. Al deze veranderingen kunnen we samenvatten onder de noemer “ruimteweer” en dit ruimteweer kan satellieten beïnvloeden, hun baan veranderen, storingen veroorzaken op hun elektronica en hun levensduur verminderen. Begrijpen hoe de zonnewind en het ruimteweer werken kan ons helpen ons daartegen te beschermen.

De Aarde is niet de enige planeet die de zonnewind voelt. De zonnewind is tot aan Pluto merkbaar. Een planeet als Mars bijvoorbeeld, die nagenoeg geen atmosfeer heeft, is bijzonder kwetsbaar. Astronauten in het International Space Station moeten zich beschermen tegen de gevolgen van deze straling. Als we ooit mensen permanent op de maan of op Mars willen laten wonen dan zullen zij ook gedegen rekening moeten houden met de effecten van de zonnewind.

Het beantwoorden van oude vragen

De Parker Solar Probe (oorspronkelijk Solar Probe+) gaat proberen twee belangrijke vragen over de atmosfeer van de Zon te beantwoorden.

De eerste heeft betrekking op de corona van de Zon. Deze heeft een veel hogere temperatuur dan het oppervlak van de Zon. Dit is volgens natuurkundigen niet logisch. Als je de Zon vergelijkt met bijvoorbeeld een kampvuur en als je loopt daarvan weg dan krijg je het warmer in plaats van kouder. Dat is niet logisch en deze temperatuur is dan ook al meer dan 50 jaar een raadsel voor astronomen.

Het tweede heeft betrekking op de zonnewind. Deze snelle en hete eind waait geladen deeltjes weg maar de oorsprong hiervan is onbekend. Er is nauwelijks wind meetbaar in de buurt van het oppervlak van de Zon maar tegen de tijd dat de zonnewind de Aarde bereikt heeft deze wel een enorme snelheid bereikt. Dus er moet ergens een mechanisme zijn dat zorgt voor deze enorme versnelling en wetenschappers hopen dat mechanisme met behulp van de Parker Solar Probe te achterhalen. Om dit te kunnen doen gaat de ruimtesonde de corona daadwerkelijk in.

De wetenschappelijke instrumenten

De Parker Solar Probe heeft vier belangrijke instrumenten aan boord:

  • De Solar Wind Electrons Alphas and Protons Investigation (SWEAP) gaat de concentratie van de meest voorkomende deeltjes in de zonnewind bepalen. Dit zijn protonen, elektronen en helium ionen.
  • De Wide-field Imager for Solar Probe Plus (WISPR) is een telescoop die driedimensionale opnames gaat maken van de corona en de binnenste delen van de heliosfeer. Hiermee willen de onderzoekers een beeld krijgen van de zonnewind en al het andere dat de ruimtesonde passeert.
  • De Electromagnetic Fields Investigation (FIELDS) zal directe metingen doen aan de schokgolven die door het atmosferische plasma van de Zon bewegen.
  • De Integrated Science Investigationn of the Sun (ISIS) bestaat uit twee instrumenten die met behulp van een massa spectrometer de elementen in de atmosfeer van de Zon gaan bepalen door geladen deeltjes in de buurt van de ruimtesonde te bestuderen.

IJs en vuur

Na de lancering (De datum van lancering ligt tussen 31 juli en 19 augustus 2018) zal de Parker Solar Probe in november bij de Zon aankomen waarna een zeven jaar durend onderzoek zal beginnen vanaf een afstand van ongeveer 6 miljoen kilometer. Mercurius bevindt zich op een gemiddelde afstand van 47 miljoen kilometer van de Zon. De ruimtesonde zal 24 keer om de Zon draaien en daarbij zeven keer de zwaartekracht van Venus gebruiken om de baan aan te passen.

Als e ruimtesonde voor het eerst door de corona vliegt worden er metingen en foto’s gemaakt om onze kennis over de zonnewind te vergroten. Tijdens de dichtste nadering zal de temperatuur aan de voorkant van het hitteschild oplopen tot ongeveer 1377 °C. Dit hitteschild zal de achterliggende instrumenten op ongeveer kamertemperatuur houden.

De zonnepanelen zullen onder extreme omstandigheden hun wek moeten doen. Conventionele zonnepanelen zouden de extreme omstandigheden in de buurt van de Zon niet overleven. Er zijn dan ook geheel nieuwe zonnepanelen ontwikkeld die actief worden gekoeld.

Maar voordat de ruimtesonde bij de Zon arriveert zal die door de extreme koude van de ruimte moeten reizen. Een van de grootste uitdagingen voor de ontwerpers is een ruimtesonde maken die bestand is tegen snelle en extreem grote temperatuurschommelingen.

Uit onderzoek is gebleken wat water onder druk het beste koelmiddel is voor de instrumenten als de in de buurt van de Zon is gekomen. Omdat de ruimtesonde eerst door de extreem lage temperaturen van de ruimte moet reizen moet er een koelmiddel worden gebruikt dat tussen 10 °C en 125 °C geschikt is. Er zijn maar een paar vloeistoffen die dit aankunnen en water onder druk is er daar eentje van.

Na de lancering zullen de temperatuur van de zonnepanelen en het koelsysteem dalen tot -140 °C voordat ze weer opgewarmd worden door de Zon. Een uur na de lancering zal de ruimtesonde worden losgekoppeld van de raket en zal de ruimtesonde verschillende malen ronddraaien zodat water vanuit een verwarmde tank naar twee radiatoren kan stromen en de accu’s opgeladen worden.

Als de ruimtesonde de Zon nadert zijn er opnieuw ingrepen vanaf de Aarde nodig. Het duurt ongeveer 8 minuten voordat radiosignalen van de verkenner de Aarde bereiken en dat betekent dat de complexe afregelingen die nodig zijn om de ruimtesonde te beschermen geautomatiseerd uitgevoerd worden.

Tijdens de scheervluchten langs de Zon kunnen hele kleine verschillen in de hoek van de zonnepanelen leiden tot enorm grote veranderingen in de benodigde koelcapaciteit. Een verandering van 1° in de hoek van de panelen kan leiden tot 35% meer koelcapaciteit.

Een levende erfenis

In de jaren 50 van de vorige eeuw stelde de astrofysicus en tegenwoordig emeritus-hoogleraar aan de Universiteit van Chicago, Eugene Parker een aantal concepten op hoe sterren, waaronder onze eigen zon, energie afgeven. Hij beschreef een heel complex systeem van plasma’s, magnetische velden en magnetische deeltjes die samen de zonnewind vormen.

Oorspronkelijk stond de missie in de boeken als Solar Probe Plus maar in 2017, een paar dagen na de 90ste verjaardag van Parker besloot de NASA om de missie te hernoemen naar Parker Solar Probe. Het is voor het eerst dat een missie naar een nog in leven zijnde persoon wordt vernoemd en het benadrukt hoe belangrijk NASA de theorieën van Parker vindt.

De eerste missie naar de Zon werd al in 1958 voorgesteld maar steeds uitgesteld. Niet omdat het niet interessant zou zijn maar omdat het 60 jaar heeft geduurd voordat de technologie beschikbaar kwam.

Meer informatie:

 

Eerste publicatie: 28 juli 2018