Este verano, La sonda solar Parker de la NASA se lanzará para viajar más cerca del Sol, más profundo en la atmósfera solar, que cualquier misión anterior. Si la Tierra estuviera en un extremo de una vara de medir y el Sol en el otro, Parker Solar Probe llegará a cuatro pulgadas de la superficie solar.

Dentro de esa parte de la atmósfera solar, una región conocida como la corona, Parker Solar Probe proporcionará observaciones sin precedentes de lo que impulsa la amplia gama de partículas, energía y calor que atraviesan la región, arrojando partículas hacia el sistema solar y más allá de Neptuno.

Dentro de la corona es también, por supuesto, inimaginablemente caliente. La nave espacial viajará a través de material con temperaturas superiores a un millón de grados Fahrenheit mientras es bombardeada con intensa luz solar.

Entonces, ¿Por qué no se derrite?

Parker Solar Probe ha sido diseñado para soportar las condiciones extremas y las fluctuaciones de temperatura para la misión. La clave está en su escudo térmico personalizado y un sistema autónomo que ayuda a proteger la misión de la intensa emisión de luz del sol. pero permite que el material coronal "toque" la nave espacial.

La ciencia detrás de por qué no se derretirá

Una clave para comprender qué mantiene a salvo la nave espacial y sus instrumentos, es comprender el concepto de calor versus temperatura. Contraintuitivamente, las altas temperaturas no siempre se traducen en un calentamiento real de otro objeto.

En el espacio, la temperatura puede ser de miles de grados sin proporcionar calor significativo a un objeto dado o sin sentir calor. ¿Por qué? La temperatura mide qué tan rápido se mueven las partículas, mientras que el calor mide la cantidad total de energía que transfieren. Las partículas pueden moverse rápidamente (temperatura alta), pero si son muy pocos, no transferirán mucha energía (calor bajo). Dado que el espacio está casi vacío, hay muy pocas partículas que puedan transferir energía a la nave espacial.

La corona a través de la cual vuela Parker Solar Probe, por ejemplo, tiene una temperatura extremadamente alta pero una densidad muy baja. Piense en la diferencia entre poner la mano en un horno caliente y ponerla en una olla con agua hirviendo (¡no intente esto en casa!) - en el horno, su mano puede soportar temperaturas significativamente más altas durante más tiempo que en el agua, donde tiene que interactuar con muchas más partículas. Similar, en comparación con la superficie visible del Sol, la corona es menos densa, por lo que la nave espacial interactúa con menos partículas calientes y no recibe tanto calor.

Eso significa que mientras Parker Solar Probe viajará a través de un espacio con temperaturas de varios millones de grados, la superficie del escudo térmico que mira al Sol solo se calentará a aproximadamente 2, 500 grados Fahrenheit (aproximadamente 1, 400 grados Celsius).

El escudo que lo protege

Por supuesto, miles de grados Fahrenheit todavía hace un calor fantástico. (Para comparacion, La lava de las erupciones volcánicas puede estar entre 1, 300 y 2, 200 F (700 y 1, 200 C) Y para soportar ese calor, Parker Solar Probe utiliza un escudo térmico conocido como sistema de protección térmica, o TPS, que tiene 8 pies (2,4 metros) de diámetro y 4,5 pulgadas (aproximadamente 115 mm) de grosor. Esas pocas pulgadas de protección significan que justo al otro lado del escudo, el cuerpo de la nave espacial se sentará a una cómoda temperatura de 85 F (30 C).

El TPS fue diseñado por el Laboratorio de Física Aplicada Johns Hopkins, y fue construido en Carbon-Carbon Advanced Technologies, utilizando una espuma compuesta de carbono intercalada entre dos placas de carbono. Este ligero aislamiento irá acompañado de un toque final de pintura cerámica blanca en la placa solar, para reflejar tanto calor como sea posible. Probado para soportar hasta 3, 000 F (1, 650 C), el TPS puede soportar cualquier calor que el sol pueda enviar, manteniendo casi toda la instrumentación segura.

La copa que mide el viento

Pero no todos los instrumentos Solar Parker Probe estarán detrás del TPS.

Asomando sobre el escudo térmico, la copa de la sonda solar es uno de los dos instrumentos de la sonda solar Parker que no estará protegido por el escudo térmico. Este instrumento es lo que se conoce como copa de Faraday, un sensor diseñado para medir los flujos de iones y electrones y los ángulos de flujo del viento solar. Debido a la intensidad de la atmósfera solar, Se tuvieron que diseñar tecnologías únicas para garantizar que no solo el instrumento pueda sobrevivir, pero también la electrónica a bordo puede enviar lecturas precisas.

La copa en sí está hecha de láminas de titanio-circonio-molibdeno, una aleación de molibdeno, con un punto de fusión de aproximadamente 4, 260 F (2, 349 C). Los chips que producen un campo eléctrico para la copa de la sonda solar están hechos de tungsteno, un metal con el punto de fusión más alto conocido de 6, 192 F (3, 422 C). Normalmente se utilizan láseres para grabar las líneas de la cuadrícula en estos chips; sin embargo, debido al alto punto de fusión, se tuvo que utilizar ácido en su lugar.

Otro desafío vino en forma de cableado electrónico:la mayoría de los cables se derretirían por la exposición a la radiación de calor en una proximidad tan cercana al Sol. Para resolver este problema, el equipo cultivó tubos de cristal de zafiro para suspender el cableado, e hizo los alambres de niobio.

Para asegurarse de que el instrumento esté listo para el entorno hostil, los investigadores necesitaban imitar la intensa radiación de calor del Sol en un laboratorio. Para crear un nivel de calor digno de prueba, los investigadores utilizaron un acelerador de partículas y proyectores IMAX, preparados por un jurado para aumentar su temperatura. Los proyectores imitaban el calor del sol, mientras que el acelerador de partículas expuso la taza a la radiación para asegurarse de que la taza pudiera medir las partículas aceleradas en las condiciones intensas. Para estar absolutamente seguro de que la copa de la sonda solar resistiría el entorno hostil, el horno solar de Odeillo, que concentra el calor del sol a través de 10, 000 espejos ajustables:se utilizó para probar la copa contra la intensa emisión solar.

La Solar Probe Cup pasó sus pruebas con gran éxito; de hecho, continuó funcionando mejor y dando resultados más claros cuanto más tiempo estuvo expuesto a los entornos de prueba. "Creemos que la radiación eliminó cualquier posible contaminación, "Justin Kasper, investigador principal de los instrumentos SWEAP en la Universidad de Michigan en Ann Arbor, dijo. "Básicamente se limpió solo".

La nave espacial que mantiene la calma

Varios otros diseños de la nave espacial mantienen a Parker Solar Probe protegida del calor. Sin protección los paneles solares, que utilizan energía de la misma estrella que se está estudiando para impulsar la nave espacial, pueden sobrecalentarse. En cada acercamiento al Sol, los paneles solares se retraen detrás de la sombra del escudo térmico, dejando solo un pequeño segmento expuesto a los intensos rayos del sol.

Pero tan cerca del sol se necesita aún más protección. Los paneles solares tienen un sistema de enfriamiento sorprendentemente simple:un tanque calentado que evita que el refrigerante se congele durante el lanzamiento, dos radiadores que evitarán que el refrigerante se congele, aletas de aluminio para maximizar la superficie de enfriamiento, y bombas para hacer circular el refrigerante. El sistema de refrigeración es lo suficientemente potente como para enfriar una sala de estar de tamaño medio. y mantendrá los paneles solares y la instrumentación frescos y funcionando mientras estén bajo el calor del sol.

¿El refrigerante utilizado para el sistema? Aproximadamente un galón (3.7 litros) de agua desionizada. Si bien existen muchos refrigerantes químicos, el rango de temperaturas a las que estará expuesta la nave espacial varía entre 50 F (10 C) y 257 F (125 C). Muy pocos líquidos pueden manejar esos rangos como el agua. Para evitar que el agua hierva en el extremo más alto de las temperaturas, estará presurizado para que el punto de ebullición sea superior a 257 F (125 C).

Otro problema con la protección de cualquier nave espacial es descubrir cómo comunicarse con ella. Parker Solar Probe estará en gran parte solo en su viaje. La luz tarda ocho minutos en llegar a la Tierra, lo que significa que si los ingenieros tuvieran que controlar la nave espacial desde la Tierra, para cuando algo saliera mal, sería demasiado tarde para corregirlo.

Entonces, la nave espacial está diseñada para mantenerse autónomamente segura y encaminada hacia el Sol. Varios sensores, aproximadamente la mitad del tamaño de un teléfono celular, están unidos al cuerpo de la nave espacial a lo largo del borde de la sombra del escudo térmico. Si alguno de estos sensores detecta la luz solar, alertan a la computadora central y la nave espacial puede corregir su posición para mantener los sensores, y el resto de instrumentos, protegido de forma segura. Todo esto tiene que suceder sin ninguna intervención humana, por lo que el software de la computadora central ha sido programado y probado exhaustivamente para asegurarse de que todas las correcciones se puedan realizar sobre la marcha.

Lanzamiento hacia el sol

Después del lanzamiento, Parker Solar Probe detectará la posición del Sol, alinear el escudo de protección térmica para enfrentarlo y continuar su viaje durante los próximos tres meses, abrazando el calor del Sol y protegiéndose del frío vacío del espacio.

En el transcurso de siete años de duración prevista de la misión, la nave espacial hará 24 órbitas de nuestra estrella. En cada acercamiento cercano al Sol, tomará una muestra del viento solar, estudiar la corona del sol, y proporcionar observaciones de cerca sin precedentes desde alrededor de nuestra estrella, y armado con su gran cantidad de tecnologías innovadoras, sabemos que se mantendrá fresco todo el tiempo.