A medida que la nave espacial Parker Solar Probe de la NASA comienza su primer encuentro histórico con la corona del sol a fines de 2018, volando más cerca de nuestra estrella que cualquier otra misión en la historia, un sistema de enfriamiento revolucionario mantendrá sus paneles solares al máximo rendimiento. incluso en condiciones extremadamente hostiles.

Todos los instrumentos y sistemas a bordo de Parker Solar Probe (con la excepción de cuatro antenas y un detector de partículas especial) estarán ocultos del sol detrás de un innovador sistema de protección térmica. o TPS:un escudo de dos metros y medio de diámetro que utiliza la nave espacial para defenderse del intenso calor y la energía de nuestra estrella.

Todos los sistemas estarán protegidos es decir, a excepción de los dos paneles solares que alimentan la nave espacial. Cuando la nave espacial está más cerca del sol, los paneles solares recibirán 25 veces la energía solar que recibirían mientras orbitan alrededor de la Tierra, y la temperatura en el TPS alcanzará más de 2, 500 grados Fahrenheit. El sistema de enfriamiento mantendrá las matrices a una temperatura nominal de 320 ° F (160 ° C) o menos.

"Nuestros paneles solares van a operar en un entorno extremo en el que otras misiones nunca han operado antes, "dijo Mary Kae Lockwood, el ingeniero de sistemas de naves espaciales de Parker Solar Probe en el Laboratorio de Física Aplicada de Johns Hopkins.

Nuevas innovaciones para sobrevivir al infierno

Los bordes más externos de los paneles solares están doblados hacia arriba, y cuando la nave espacial está más cerca del sol, estas pequeñas astillas de matriz se extenderán más allá de la protección del TPS para producir suficiente energía para los sistemas de la nave espacial.

El increíble calor de nuestra estrella dañaría las matrices de naves espaciales convencionales. Entonces, como muchos otros avances tecnológicos creados especialmente para esta misión, APL desarrolló un sistema de paneles solares de enfriamiento activo, el primero en su tipo, en asociación con United Technologies Aerospace Systems, que fabricó el sistema de refrigeración, y SolAero Technologies, que produce los paneles solares.

"Todo esto es nuevo, "Lockwood dijo sobre las innovaciones relacionadas con el sistema de paneles solares enfriados activamente". La NASA financió un programa para Parker Solar Probe que incluía el desarrollo de tecnología de los paneles solares y su sistema de enfriamiento. Trabajamos en estrecha colaboración con nuestros socios en UTAS y SolAero para desarrollar estas nuevas capacidades, y creamos un sistema muy eficaz ".

El sistema de enfriamiento Parker Solar Probe tiene varios componentes:un tanque acumulador calentado que retendrá el agua durante el lanzamiento ("Si había agua en el sistema, se congelaría "Dijo Lockwood); bombas de dos velocidades; y cuatro radiadores hechos de tubos de titanio y aletas deportivas de aluminio de solo dos centésimas de pulgada de grosor. Como con toda la potencia de la nave espacial, el sistema de enfriamiento es alimentado por los paneles solares, los mismos que necesita para mantenerse fresco para asegurar su funcionamiento. A la capacidad operativa nominal, el sistema proporciona 6, 000 vatios de capacidad de enfriamiento, suficiente para enfriar una sala de estar de tamaño medio.

Algo sorprendente, el refrigerante utilizado no es más que agua a presión normal, aproximadamente cinco litros, desionizado para eliminar minerales que podrían contaminar o dañar el sistema. El análisis mostró que durante la misión, el refrigerante necesitaría operar entre 50 ° F y 257 ° F, y pocos líquidos pueden manejar esos rangos como el agua. "APL y nuestros socios de UTAS utilizaron parte de los fondos para la demostración de tecnología de la NASA para inspeccionar una variedad de refrigerantes, "dijo Lockwood." Pero para el rango de temperatura que necesitábamos, y para las limitaciones de masa, el agua era la solución. "El agua se presurizará, que elevará su punto de ebullición por encima de 257 ° F.

Los paneles solares cuentan con sus propias innovaciones técnicas. "Aprendimos mucho sobre el rendimiento de los paneles solares de la nave espacial MESSENGER [construida por APL], que fue el primero en estudiar Mercurio, "dijo Lockwood." En particular, aprendimos a diseñar un panel que mitigara la degradación de la luz ultravioleta ".

El vidrio de cobertura en la parte superior de las células fotovoltaicas es estándar, pero la forma en que el calor se transfiere de las celdas al sustrato del panel, la platina, es único. Se creó un soporte cerámico especial y se soldó a la parte inferior de cada celda, y luego se fija a la platina con un adhesivo conductor térmico especialmente elegido para permitir la mejor conducción térmica en el sistema al tiempo que proporciona el aislamiento eléctrico necesario.

Del hielo al fuego:desafíos de lanzamiento

Si bien el extraordinario calor del sol será el desafío más intenso de la nave espacial, los minutos inmediatamente posteriores al lanzamiento son en realidad una de las secuencias de desempeño iniciales más críticas de la nave espacial.

Cuando Parker Solar Probe se lanza a bordo de un cohete ULA Delta IV Heavy desde la Estación de la Fuerza Aérea de Cabo Cañaveral en Florida en el verano de 2018, el sistema de enfriamiento sufrirá grandes cambios de temperatura. "Hay mucho que hacer para asegurarse de que el agua no se congele, "dijo Lockwood.

Primero, Las temperaturas de los paneles solares y los radiadores del sistema de enfriamiento bajarán de las del carenado (alrededor de 60 ° F) a temperaturas que oscilan entre –85 ° F y –220 ° F antes de que el sol pueda calentarlas. El tanque de refrigerante precalentado evitará que el agua se congele; los radiadores especialmente diseñados, diseñados para rechazar el calor y las temperaturas intensas del sol, también sobrevivirán a este frío intenso, gracias a un nuevo proceso de unión e innovaciones de diseño.

Menos de 60 minutos después, la nave espacial se separará del vehículo de lanzamiento y comenzará la secuencia posterior a la separación. Girará solo para apuntar al sol; los paneles solares se liberarán de sus candados de lanzamiento; las matrices rotarán para apuntar al sol; se abrirá una válvula de cierre para liberar el agua caliente en dos de los cuatro radiadores y los paneles solares; la bomba se encenderá; la nave espacial girará de nuevo a una orientación de apuntado nominal, calentar los dos radiadores más fríos y no activados; y la energía de los paneles solares enfriados comenzará a recargar la batería.

En otro primero, esta compleja y crítica serie de tareas será completada de forma autónoma por la nave espacial, sin ningún aporte del control de la misión.

El agua para los dos radiadores inactivos permanecerá en el tanque de almacenamiento durante los primeros 40 días de vuelo; después, se activarán los dos últimos radiadores.

"Uno de los mayores desafíos al probar esto son las transiciones de muy frío a muy caliente en un corto período de tiempo, "Dijo Lockwood." Pero esas pruebas, y otras pruebas para mostrar cómo funciona el sistema cuando está bajo un TPS completamente calentado, se correlaciona bastante bien con nuestros modelos ".

Gracias a las pruebas y el modelado, el equipo estudió los datos y aumentó la protección térmica en los dos primeros radiadores que se activaron, para equilibrar maximizando su capacidad al final de la misión, y reducir aún más el riesgo de que el agua se congele al principio de la misión.

Manteniendo fresco, autónomamente

Cuando Parker Solar Probe pasa a toda velocidad junto al sol a unos 450, 000 millas por hora, estará a 90 millones de millas de los controladores de la misión en la Tierra, demasiado lejos para que el equipo "conduzca" la nave espacial. Esto significa que los ajustes en la forma en que la nave espacial se protege a sí misma con el TPS deben ser manejados por los sistemas de control y guía integrados de Parker Solar Probe. Estos sistemas utilizan un software autónomo nuevo y eficaz para permitir que la nave espacial altere instantáneamente su orientación para maximizar la protección contra el sol. Esta capacidad autónoma es fundamental para el funcionamiento de los paneles solares de la nave espacial, que debe ajustarse constantemente para obtener un ángulo óptimo mientras Parker Solar Probe atraviesa la dureza del sol, corona sobrecalentada.

"Durante los encuentros solares, cambios muy pequeños en el ángulo del ala de la matriz solar pueden cambiar enormemente la capacidad de enfriamiento necesaria ". Lockwood dijo que un cambio de un grado en el ángulo de la matriz de un ala requeriría un 35 por ciento más de capacidad de enfriamiento.

El desafío constante es asegurarse de que la nave espacial y las matrices se mantengan frías.

"No hay forma de hacer estos ajustes desde el suelo, lo que significa que tiene que guiarse a sí mismo, "Dijo Lockwood." APL desarrolló una variedad de sistemas, incluido el control del ángulo del ala, orientación y control, sistema de energía eléctrica, aviónica, gestión de fallos, software de autonomía y vuelo, que son piezas críticas que funcionan con el sistema de enfriamiento de paneles solares ".

Lockwood agregó:"Esta nave espacial probablemente sea uno de los sistemas más autónomos jamás volados".

Esa autonomía, junto con el nuevo sistema de refrigeración y las innovadoras actualizaciones de paneles solares, será crucial para garantizar que Parker Solar Probe pueda realizar las investigaciones científicas nunca antes posibles en el sol que responderán a las preguntas que los científicos han tenido sobre nuestra estrella y su corona.