Waarom de Parker Solar Probe niet smelt

De Parker Solar Probe is dit jaar voor het eerst door de corona van de Zon gereisd en zal dat nog verschillende keren gaan doen waarbij de afstand tot de Zon steeds kleiner zal worden. Als de Aarde zich aan een einde van een maatlat bevindt en de Zon aan de andere kant dan zal de Parker Solar Probe op een afstand van minder dan 10 centimeter langs het oppervlak van de Zon scheren.

In dat deel van de atmosfeer van de Zon, de corona, zal de Parker Solar Probe waarnemingen uitvoeren hoe deeltjes, energie en hitte door het gebied worden verplaatst. Dat gaat dermate heftig dat die deeltjes tot ver voorbij de baan van Neptunus terecht kunnen komen.

In de corona is het onvoorstelbaar heet. De ruimtesonde zal door materiaal reizen met een temperatuur van meer dan een miljoen graden en ondertussen wordt de sonde gebombardeerd door zeer intens zonlicht.

Waarom smelt die ruimtesonde dan niet?

De Parker Solar Probe is ontworpen om tijdens de missie bestand te zijn tegen de extreme omstandigheden en temperatuurschommelingen. Een sleutelrol is weggelegd voor een speciaal hitteschild en een autonoom systeem dat helpt om de sonde tijdens de missie te beschermen tegen de intense lichtstraling van de Zon terwijl het materiaal van de corona de ruimtesonde wel kan “aanraken”.

De wetenschap achter waarom de sonde niet smelt

Het is belangrijk om te begrijpen wat een ruimtesonde en zijn instrumenten veilig houdt. Het gaat namelijk om het concept van warmte versus temperatuur. Anders dan je zou denken vertalen hoge temperaturen zich niet altijd in het daadwerkelijk verwarmen van een ander object,

In de ruimte kan de temperatuur duizenden graden zijn zonder een bepaald object significant te verwarmen of warm aan te voelen. Waarom? Temperatuur meet hoe snel deeltjes bewegen, terwijl warmte de totale hoeveelheid energie meet die ze overbrengen. Deeltjes kunnen snel bewegen (hoge temperatuur), maar als er maar weinig zijn zullen ze niet veel energie overdragen (lage warmte). Omdat de ruimte grotendeels leeg is zijn er maar heel weinig deeltjes die energie over kunnen brengen naar de ruimtesonde.

De corona waar de Parker Solar Probe doorheen vliegt heeft een extreem hoge temperatuur maar een erg lage dichtheid. Probeer het niet uit maar denk aan het verschil als je je hand in een oven steekt versus je hand in een ketel kokend water. In de oven kan je hand gedurende langere tijd tegen significant hogere temperaturen dan in het water waar je hand te maken krijgt met veel meer deeltjes. Vergeleken met het zichtbare oppervlak van de Zon is de corona veel minder compact dus de ruimtesonde heeft er te maken met veel minder hete deeltjes en ontvangt dus veel minder hitte.

Dit betekent dat als de Parker Solar Probe door een gebied vliegt met een temperaturen van enkele miljoenen graden het oppervlak van het hitteschild dat naar de Zon toe is gericht slechts tot ongeveer 1400 graden Celsius wordt verhit.

Het hitteschild

Natuurlijk is een temperatuur van 1400 graden Celsius nog steeds fantastisch heet. (Ter vergelijking: lava van vulkaanuitbarstingen kan een temperatuur behalen tussen 700 en 1200 °C). en om die hitte te weerstaan maakt de Parker Solar Probe gebruik van een hitteschild dat bekend staat als het Thermal Protection System (TPS). Dit schild heeft een diameter van 2,4 meter en een dikte van 115 millimeter. Die paar centimeter bescherming betekent dat aan de andere kant van het schild de instrumenten op een aangename temperatuur van 30 °C worden gehouden.

Het TPS werd ontworpen door het Johns Hopkins Applied Physics Laboratory en gebouwd door Carbon-Carbon Advanced Technologies. Het bestaat uit een schuim van koolstofcomposiet dat als een sandwich tussen twee platen koolstof ligt. Deze lichtgewicht isolatie is afgewerkt met een witte keramische verf op de naar de Zon toe gerichte zijde. Deze keramische verf is bestand tegen de hitte van de Zon en reflecteert die en kan op die manier de meeste instrumenten beschermen.

De beker die de wind meet

Maar niet alle instrumenten van de Parker Solar Probe bevinden zich achter het TPS.

De Solar Probe Cup is een van de twee instrumenten van de Parker Solar Probe die buiten het hitteschild steken en die dus niet hierdoor worden beschermd. De SPC is een zogenaamde Faraday-beker, een sensor die is ontworpen om de ionen en elektronenfluxen en de stromingshoeken van de zonnewind te meten. Vanwege de intensiteit van de zonneatmosfeer moesten er unieke technologieën worden ontwikkeld om ervoor te zorgen dat niet alleen het instrument kan overleven maar dat ook de elektronica aan boord nauwkeurige metingen kan terugsturen.

De SPC zelf bestaat uit platen die gemaakt zijn van een legering van Titanium-Zirkonium-Molybdenum. Deze legering heeft een smeltpunt van ongeveer 2349 °C.  De roosters die een elektrisch veld produceren voor de Solar Probe Cup zijn gemaakt van wolfraam, dit is het metaal met het hoogste bekende smeltpunt van 3422 °C. Normaal gesproken worden lasers gebruikt om de rasterlijnen in deze rasters te etsen maar vanwege het hoge smeltpunt moest dit gedaan worden met een zuur.

Ook de elektrische bedrading vormde een flinke uitdaging. De meeste kabels zouden smelten door blootstelling aan de warmtestraling op zo’n korte afstand van de Zon. Om dit probleem op te lossen liet het team buizen van saffierkristal groeien om de bedrading op te hangen en maakte het draden van niobium.

Om ervoor te zorgen dat de ruimtesonde klaar was voor de barre omgeving moesten de onderzoekers de intense warmtestraling van de Zon in een laboratorium nabootsen. Om een testwaardig warmteniveau te creëren gebruikten de onderzoekers een deeltjesversneller en IMAX-projectoren die werden gemanipuleerd om een hogere temperatuur te krijgen. De projectoren bootsten de hitte van de Zon na terwijl de deeltjesversneller de SPC blootstelde aan straling om er zo voor te zorgen dat de SPC de versnelde deeltjes onder de intense omstandigheden konden meten. Om er absoluut zeker van te zijn dat de Solar Probe Cup bestand zou zijn tegen de barre omgeving werd de Odeillo Solar Furnace, die de warmte van de Zon concentreert door 10.000 verstelbare spiegels, gebruikt om de Solar Probe Cup te testen tegen de intense emissie van de Zon.

De Solar Probe Cup doorstond deze testen met vlag en wimpel en het apparaat begon zelfs steeds beter te presteren naarmate het langer werd blootgesteld aan de testomgevingen. Vermoedelijk als gevolg van een zelfreinigend effect door de extreme omstandigheden.

De ruimtesonde die koel blijft

Verschillende andere ontwerpen aan de ruimtesonde houden de Parker Solar Probe beschermd tegen de Zon. Zonder bescherming kunnen de zonnepanelen, die energie van de Zon gebruiken om de ruimtesonde van energie te voorzien, oververhit raken. Bij elke nadering van de Zon trekken de zonnepanelen zich terug achter het hitteschild waardoor slechts een klein segment wordt blootgesteld aan de intense straling van de Zon.

Maar zo dicht bij de Zon is er veel meer bescherming nodig. De zonnepanelen hebben een verrassend eenvoudig koelsysteem: een verwarmde tank die ervoor zorgt dat de koelvloeistof niet bevriest tijdens de lancering, twee radiatoren die ervoor zorgen dat de koelvloeistof niet bevriest, aluminium vinnen om het koeloppervlak te maximaliseren en pompen om de koelvloeistof te laten circuleren. Het koelsysteem is krachtig genoeg om een woonkamer van gemiddelde grootte te koelen en zorgt ervoor dat de zonnepanelen en instrumenten koel blijven en functioneren in de hitte van de Zon.

De gebruikte koelvloeistof bestaat uit 3,7 liter gedeïoniseerd water. Er bestaan veel chemische koelvloeistoffen maar de temperaturen waaraan de ruimtesonde achter het hitteschild wordt blootgesteld liggen tussen 10 °C en 125 °C. Er zijn maar weinig vloeistoffen die een dergelijk temperatuurbereik aan kunnen. Om te voorkomen dat het water bij hoge temperatuur gaat koken is het onder druk gebracht zodat het kookpunt boven de 125 °C ligt.

Een ander probleem bij het beschermen van een ruimtesonde is uitzoeken hoe ermee te communiceren. De Parker Solar Probe zal grotendeels alleen zijn tijdens zijn reis. Het licht heeft acht minuten nodig om de Aarde te bereiken, dit betekent dat als ingenieurs de ruimtesonde vanaf de Aarde moesten besturen ze te laat zouden zijn als er iets mis zou gaan.

De ruimtesonde is dus ontworpen om zichzelf autonoom veilig en op koers naar de Zon te houden. Verschillende sensoren, ongeveer half zo groot als een mobiele telefoon, zijn aan de rand van de romp van de ruimtesonde bevestigd langs de rand van de schaduw van het hitteschild. Als een van deze sensoren zonlicht detecteert waarschuwen ze de centrale computer en kan de ruimtesonde zijn positie corrigeren om de sensoren en de rest van de instrumenten veilig te beschermen. Dit alles moet gebeuren zonder menselijke tussenkomst dus de centrale computersoftware is geprogrammeerd en uitgebreid getest om ervoor te zorgen dat alle correcties on-the-fly kunnen worden gemaakt.

In de loop van de zeven jaar geplande missieduur zal de ruimtesonde 24 banen om onze ster maken. Bij elke nadering van de Zon zal de zonnewind worden bemonsterd en zal de ruimtesonde de corona van de Zon bestuderen. Gewapend met een hele reeks aan innovatieve technologieën weten we dat de ruimtesonde de gehele tijd zijn hoofd en lijf koel zal kunnen blijven houden.

Eerste publicatie: 21 december 2021
Bron: NASA/JPL-Caltech