پارکر چگونه از لمس خورشید جان سالم به در برد؟

سریع‌ترین ساخته‌ی بشر، تنها ابزاری که خورشید را لمس کرده و تنها فضاپیمایی که نام یک دانشمند زنده را بر خود را دارد. این‌ها تنها بخشی از افتخارات فضاپیمای پارکر است. این فضاپیما برای به شیرجه در جهنم یک میلیون درجه‌ای خورشید، سپری حیرت‌انگیز بر تن دارد که در این مطلب نگاهی به مهندسی آن می‌اندازیم.

کاوشگر خورشیدی پارکر (Parker Solar Probe) اواسط سال ۲۰۱۸ با هدف بررسی امواج گرمایی و ذرات پر انرژی جو خورشید، نحوه‌ی حرکت این امواج و دلیل افزایش سرعت آن‌ها به فضا پرتاب شد.

بادهای خورشیدی ناشی از فعل و انفعالات در سطح این ستاره، پیوسته زمین و سیارات همسایه ما را بمباران می‌کنند. این بادها جریانی پیوسته از ذرات باردار پروتون و الکترون و میدان مغناطیسی هستند که از سطح خورشید به سوی سامانه خورشیدی پرتاب می‌شوند و گاهی سرعتشان به ۳ میلیون کیلومتر در ساعت هم می‌رسد.

این بادها از ساختار جو بیرونی یا همان تاج خورشید ناشی می‌شوند اما سازوکار دقیق آن‌ها مشخص نیست. زمانی که بادها از سطح خاصی شدیدتر شوند، از میدان مغناطیسی اطراف زمین عبور کرده و به سامانه‌های موقعیت‌یاب، ماهواره‌ها و سیستم‌های ارتباطی آسیب زده و عملکرد آن‌ها را دچار اختلال می‌کنند.

هدف اصلی کاوشگر پارکر حل مسأله‌ی دمای بسیار بالای منطقه موسوم به تاج خورشید نسبت به سطح آن است که از مدت‌ها قبل ذهن محققان را درگیر کرده بود. تاج خورشید ناحیه‌ای در اطراف این ستاره است که بادها و ذرات خورشیدی از بند گرانش و میدان مغناطیسی رها می‌شوند.

مرز بیرونی این ناحیه که آلف‌وِن (Alfvén) نام دارد، در ارتفاع ۱۳ میلیون کیلومتری فوتوسفر خورشید قرار دارد و در حالی که دمای سطح ستاره از ۵۵۰۰ درجه فراتر نمی‌رود به شکلی جالب دمای تاج آن به یک میلیون درجه سانتی‌گراد هم می‌رسد. کاوشگر پارکر برای جمع آوری‌ داده‌‌ها درباره‌ی ذرات خورشیدی، پلاسمای بادها، میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی و تابش رادیویی خورشید در اردیبهشت امسال وارد ناحیه تاج خورشید شد و ۵ ساعت را آنجا سپری کرد.

بخش‌های مختلف کاوشگر پارکر

کاوشگر پارکر نسبت به فضاپیماهای دیگر ابعاد بسیار کوچک دارد. ابعاد این فضاپیما تقریبا به اندازه‌ی یک خودرو است اما در سفر هیجان انگیزش تا فاصله ۶ میلیون کیلومتری به خورشید نزدیک شده و دمایی برابر با ۱۴۰۰ درجه سانتی‌گراد را تحمل خواهد کرد. شاید این فاصله بسیار زیاد به نظر برسد اما تقریبا یک دهم فاصله خورشید تا عطارد است و کشش و نیروی بسیار زیادی را به این فضاپیمای کوچک وارد خواهد کرد.

حرارت جهنمی تاج خورشید تنها چیزی نیست که پارکر در سفرش با آن روبه‌رو شده است. همان‌طور که گفتیم این فضاپیما با ثبت سرعت ۶۰۰ هزار کیلومتر بر ساعت رکورد سریع‌ترین ساخته بشری را هم از آن خود کرده است. این سرعت خیره کننده به حدی است که در یک دقیقه شما را از نیویورک به توکیو می‌رساند اما در عین حال باعث وارد شدن نیروی زیادی به فضاپیما خواهد شد چرا باید با سرعت از میان ابر عظیمی از بقایای سیارک‌ها و دنباله‌دارها عبور کند که در صورت برخورد با فضاپیما آنرا می‌تواند آن را از کار بیندازند.

این برخورد شبیه به رانندگی با سرعت سرسام‌آور در طوفان ترسناکی از شن است که با هر برخورد یک انفجار پلاسمایی رقم می‌زند. ساختن فضاپیمایی که بدون دچار شدن به سرنوشت ایکاروس از این برخوردها و حرارت جهنمی خورشید جان سالم به در ببرد، نتیجه یک مهندسی خیره کننده است که شامل ۳ بخش اصلی می‌شود: سپر حرارتی، فنجان فارادی و سیستم خنک کننده‌‌ی مایع.

محققان مرکز اخترفیزیک هاروارد-استیمسون در کمبریج ساخت دو بخش اصلی از سپرهای محافظتی کاوشگر پارکر را به عهده داشته‌اند. بخش اول که به خاطر ظاهر شبیه به فنجان، کاپ فارادی کاوشگر نامیده شده، در بخش بیرونی نصب شده و بخشی از پلاسمای خورشید را جذب می‌کند.

مدلی از فنجان فارادی کاوشگر

«آنتونی کیس»، از متخصصان این مرکز می‌گوید کاپ کاوشگر پس از ورود به تاج خورشید با رسیدن به دمای ۱۸۰۰ درجه سانتی‌گراد مثل یک گوی آتشین سرخ شده است. برای درک بهتر این حرارت باید بدانید که گدازه‌های آتش‌فشان هم تقریبا چنین حرارتی دارند.

دانشمندان برای انتخاب مواد سازنده این سپر سراغ گزینه‌‌هایی در جدول تناوبی رفتند که بیشترین نقطه ذوب را داشتند. در نتیجه سپر زرهی کاوشگر از تیتانیوم، زیرکونیوم و مولیبدنیوم و عقیق کبود ساخته شده است. بدنه کاپ که برای تعیین آهنگ شارش ذرات باردار را جمع آوری می‌کند، توانایی مقاومت تا دمای ۲۳۰۰ درجه را دارد.

تراشه‌های تولید کننده میدان الکتریکی این کاپ از تنگستن ساخته شده‌اند که به‌عنوان یکی از دیرگذارترین فلزات می‌تواند تا دمای خیره کننده ۳۴۰۰ درجه را تحمل کند. در ساخت سیم‌های به کار رفته در این تجهیزات هم از نیوبیوم استفاده شده که تا ۲۴۷۰ درجه ذوب نخواهد شد. سیم‌های مذکور همچنین درون بازویی از عقیق کبود قرار گرفته‌اند که مقاومت بسیار بالایی در برابر حرارت و ضربه دارد.

دیگر بخش مهم در سپر حرارتی کاوشگر پارکر «سیستم حفاظت گرمایی» است که در جلوی آن نصب شده. این سپر علاوه بر حرارت باید در برابر برخورد ذرات گرد و غبار با سرعت هزاران کیلومتری هم مقاومت بالایی داشته باشد. شرایط حرارتی در مجاورت خورشید به گونه‌ای است که اگر سپر بیش از حد داغ شود ذوب نخواهد شد بلکه مثل یک تکه یخ خشک مستقیما بخار می‌شود، بنابراین سپر حرارتی باید با دقت تمام ساخته می‌شد و کوچک‌ترین اشتباهی می‌توانست ماموریت میلیون دلاری را به شکست بکشاند.

محققان ۸ سال را صرف طراحی این سپر حرارتی کرده‌اند. آن‌ها در یک مرکز تحقیقاتی در فرانسه با استفاده از هزاران آینه نور خورشید را منعکس کرده و روی نقطه‌ای کوچک متمرکز کرده‌اند تا مواد انتخابی خود را در دمای فوق‌العاده بالا محک بزنند.

ضخامت این سپر حرارتی ۱۲ سانتی‌متر است و ساختاری لایه‌ای دارد. لایه میانی آن از فوم کربن ساخته شده که در پزشکی و تعویض استخوان کاربرد دارد. لایه نازک‌تر بیرونی سپر نیز از ترکیب ویژه‌ کربن-کربن ساخته شده که مقاومت بسیار بالایی در برابر حرارت دارد.

به خاطر استفاده از روش فرا گرم و فوم کربنی که ۹۷ درصد از هوا تشکیل شده، این سپر ۲٫۴ متری تنها ۷۲٫۵ کیلوگرم وزن دارد. سمتی از سپر که به سوی خورشید قرار دارد رنگ سفید براق با فرمول خاصی را برخود دارد که امواج خورشیدی را تا حد زیادی منعکس می‌کند. ناسا برای تولید این لایه براق از محققان دانشگاه جان هاپکینز دعوت به همکاری کرد و آن‌ها پس از بررسی‌های فراوان روی استفاده از اکسید آلومینیوم براق توافق کردند.

این مواد در دمای بالا ممکن بود با کربن به کار رفته در سپر حرارتی واکنش نشان داده و به رنگ خاکستری درآیند. برای جلوگیری از این مساله مهندسان لایه‌ای از تنگستن با ضخامت کمتر از مو را بین پوشش بیرونی و فوم کربن اضافه کردند.

سیستم حفاظت گرمایی

آن‌ها همچنین برخی ناخالصی‌ها را در مقیاس نانو به پوشش بیرونی اضافه کردند که هم آن را براق‌تر می‌کند و هم به مهار بهتر دانه‌های اکسید آلومینیوم در معرض حرارت کمک می‌کند. نتیجه این طراحی ویژه این است که حتی اگر سمت سفید سپر تا بیش از ۱۳۰۰ درجه هم داغ شود، دمای لایه پشت آن از ۳۰۰ درجه فراتر نمی‌رود.

سپر مذکور احتمالا در برخورد با گرد و غبار دچار سوراخ‌هایی شده اما مقاومت آن در برابر ذراتی که با سرعت صدها هزار کیلومتری مثل تیر از چله کمان رها می‌شوند، تحسین‌برانگیز بوده است. سرعت و انرژی این ذرات به حدی است که پس از برخورد با یونیزه کردن بدنه، انفجار پلاسمایی کوچکی را رقم ذره و همراه با بخش ناچیزی از سپر بخار می‌شوند.

سومین بخشی که از کاوشگر پارکر در برابر حرارت محافظت می‌کند، سیستم خنک کننده مایع است که بی‌شباهت به آنچه در خودروها دیده‌ایم، نیست. این سیستم با آب خالص تحت فشار و یک رادیاتور بسیار مقاوم مایع خنک کننده را در کل کاوشگر به جریان می‌اندازد و از این طریق دمای پارکر را پایین می‌آورد.

روی بدنه کاوشگر هم سنسورهای متعددی نصب شده که با سنجش موقعیت جهت قرارگیری را به گونه‌ای تنظیم می‌کنند که تجهیزات تا حد ممکن در معرض حرارت مستقیم قرار نداشته باشد. حتی پنل‌های خورشیدی هم در صورتی که حرارت بیش از حد بالا برود، جمع شده و پشت محافظ قرار می‌گیرند. نتیجه تمام این نوآوری‌ها فعالیت دقیق یک ساخته‌ی بشری در دمایی نزدیک به اعماق جهنم است.

مأموریت کاوشگر پارکر تا سال ۲۰۲۵ ادامه خواهد داشت و تا آن زمان دو شیرجه دیگر به سمت خورشید خواهد زد. در نهایت فاصله پارکر با سطح به ۶ میلیون کیلومتر خواهد رسید و با در آغوش کشیدن این ستاره، به شکلی دراماتیک شعله‌ور شده و به بخشی از بادهای خورشیدی تبدیل می‌شود.

منبع: mashable