Зонд NASA улетел к Солнцу. Как он переживет горячее путешествие?

12 августа космическое агентство США запустило уникальную миссию на Солнце. Parker Solar Probe — 635-килограммовый зонд, который отправился в путь длиной в 150 миллионов километров, к единственной звезде нашей Солнечной системы. По пути он, возможно, увидит Венеру с невероятными температурами на поверхности и катастрофическим уровнем углекислого газа в атмосфере, а также выжженный Меркурий — самую близкую к Солнцу планету Солнечной системы. 

Зонд-смертник, как прозвали его в народе, будет первым аппаратом, который войдет в атмосферу Солнца. Раньше такого никто не делал по очевидным причинам: температура в этом районе достигает 5,5 тысячи градусов по Цельсию. Миссия продлится семь лет. Аппарат должен пройти 24 раза по орбите Солнца.

Дотянуться до Солнца

В атмосфере звезды зонд выяснит, какие реакции там происходят и что именно провоцирует мощнейшие выбросы частиц, энергии и тепла, которые буквально вылетают из Солнечной системы.

В слоях атмосферы, которые ученые прозвали солнечной короной, стоит невообразимая жара. Корона — внешняя часть атмосферы звезды, состоящая из разряженных ионизованных газов, температура которых выше, чем в других частях солнечной атмосферы.

Напрашивается вопрос: почему Parker Solar Probe не расплавится? Исследователи из NASA разложили все по полочкам.

Ученые продумали все спектры проблем, с которыми может столкнуться зонд. Аппарат соорудили таким образом, чтобы он выдержал немыслимую жару. Секрет его неуязвимости заключен в специальном щите и автономной системе, которая помогает защитить миссию от воздействия солнечного пекла. Тут возникает еще один вопрос: как зонд будет работать с частицами, если не увидит их за щитом?

Почему он не расплавится

Мы ведь не хотим повторения истории с Икаром? Ключ к пониманию причин, почему аппарат и его системы в безопасности, лежит в концепте противостояния температур. Другими словами, высокие температуры не всегда передают свое тепло другим объектам.

В космосе температуры могут составлять тысячи градусов и без внешнего воздействия. Почему? Температура измеряет, как быстро частицы движутся, тогда как тепло измеряет общее количество энергии, которое они переносят. Частицы могут двигаться быстро (высокая температура), но если их мало, они не будут переносить много энергии (низкая температура). Вспоминаем, что космос достаточно пустой — в нем мало частиц, которые могут переносить энергию на космический корабль.

Солнечная корона имеет огромную температуру, но катастрофически маленькую плотность. В качестве примера можно привести ощущения, когда человек засунет руку в горячую духовку и в кипящую воду (пробовать дома такое не стоит). В духовке ваша рука может выдержать высокую температуру дольше, чем в воде, где кожа соприкасается со множеством частиц. То же самое и с видимой поверхностью Солнца: корона менее плотная, поэтому космический корабль встречается с меньшим числом горячих частиц и не получает избыточного тепла.

Иными словами, когда Parker Solar Probe будет проходить через температуры в несколько миллионов градусов, поверхность его щита нагреется всего до 2,5 тысячи градусов по Фаренгейту (1,3 тысячи по Цельсию).

Щит «Капитана Америки»

В любом случае, тысячи градусов по Фаренгейту для обычного человека звучат не менее невероятно, чем миллион. Например, температура вулкана во время извержения составляет от 1,3 тысячи до 2,2 тысячи градусов по Фаренгейту (700 и 1,2 тысячи градусов по Цельсию). А человек даже стоять рядом с кратером не может.

Ученые из NASA показали, как работает щит, который прозвали просто — Thermal Protection System («Система тепловой защиты»). На аппарате Parker Solar Probe установлен именно такой — его диаметр составил 2,4 метра, а толщина — 115 миллиметров. Такие небольшие цифры позволяют всем системам за щитом пребывать в комфортной температуре +30 градусов по Цельсию.

На видео главный инженер Бэтси Конгдон показывает материал щита, а также просит коллегу Кертиса Уилкерсона проверить, работает ли система.

Конгдон нагревает переднюю часть до температуры в несколько сотен градусов, после чего Уилкерсон трогает голой рукой обратную сторону пластины, утверждая, что температура с той стороны комфортная.

Не только в щите «соль»

Надеяться только на легкий щит из дорогостоящих материалов при полете к Солнцу не стоит. За ним будет аппарат со всеми системами, проводами и другими элементами, которые легко разрушить. Поэтому ученым нужно было придумать и то, из чего сделать саму «кабину» космического корабля. В ней никого нет — все же мы летим на Солнце, а не на Марс.

Оболочка сделана из листов титана-циркония-молибдена. Эта жесткая смесь способна выдержать до 4260 градусов по Фаренгейту, или 2349 градусов по Цельсию. Сети, через которые проходит электрическое поле, выполнены из вольфрама — этот металл может расплавиться только при температуре 3,4 тысячи градусов по Цельсию.Он самый тугоплавкий в мире.

Чтобы большинство кабелей не расплавились задолго до приближения к Солнцу, специалисты вырастили трубы из сапфировых кристаллов, эти провода защищающие. Сами же кабели сделаны из ниобия, крайне устойчивого к большинству химических веществ.