Ilustración de Parker Solar Probe que circunda el sol. Crédito: NASA / JHUAPL

Este verano, la sonda solar Parker de la NASA se lanzará para viajar más cerca del Sol, más profundamente en la atmósfera solar, que cualquier misión anterior. Si la Tierra estuviera en un extremo de una vara de jardín y el Sol en la otra, Parker Solar Probe llegaría 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 ese curso a través de la región arrojando partículas hacia el interior del sistema solar y mucho más allá de Neptuno.

Dentro de la corona, también es, por supuesto, inimaginablemente caliente. La nave 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 resistir las condiciones extremas y las fluctuaciones de temperatura para la misión. La clave está en su escudo de calor personalizado y un sistema autónomo que ayuda a proteger la misión de la emisión de luz intensa del Sol, pero permite que el material coronal “toque” la nave espacial.

La ciencia detrás de por qué no se derrite

Una clave para entender qué es lo que mantiene a salvo a la nave espacial y sus instrumentos es entender el concepto de calor en función de la temperatura. Contra lo intuitivo, las altas temperaturas no siempre se traducen en calentar otro objeto.

La sonda solar Parker de la NASA se dirige al sol. ¿Por qué la nave no se derrite? La Ingeniera de Sistemas de Protección Térmica Betsy Congdon (APL de Johns Hopkins) describe por qué Parker puede soportar el calor. Crédito: Goddard Space Flight Center de la NASA

En el espacio, la temperatura puede ser de miles de grados sin proporcionar calor significativo a un objeto dado o 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 (alta temperatura), pero si hay muy pocas, no transferirán mucha energía (baja temperatura). Como el espacio está casi vacío, hay muy pocas partículas que puedan transferir energía a la nave espacial.

La corona a través de la cual Parker Solar Probe vuela, por ejemplo, tiene una temperatura extremadamente alta pero muy baja densidad. Piense en la diferencia entre poner su mano en un horno caliente o ponerla en una olla de agua hirviendo (¡no intente esto en casa!) – en el horno, su mano puede soportar temperaturas mucho más altas por más tiempo que en el agua donde tiene que interactuar con muchas más partículas. De forma 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 estará viajando a través de un espacio con temperaturas de varios millones de grados, la superficie del escudo térmico que está frente al Sol solo se calentará a unos 2.500 grados Fahrenheit (unos 1.400 grados Celsius).

El escudo que lo protege

Por supuesto, miles de grados Fahrenheit todavía son fantásticamente calientes. (Para comparar, la lava de las erupciones volcánicas puede estar entre 1.300 y 2.200 F (700 y 1.200 C) y para resistir ese calor, Parker Solar Probe utiliza un escudo térmico conocido como Sistema de Protección Térmica, o TPS, que es 8 pies (2.4 metros) de diámetro y 4.5 pulgadas (alrededor de 115 mm) de espesor. Esas pocas pulgadas de protección significan que justo en el otro lado del escudo, el cuerpo de la nave espacial se sentará a un cómodo 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 que da al sol, para reflejar la mayor cantidad de calor posible. Probado para resistir hasta 3,000 F (1,650 C), el TPS puede manejar cualquier calor que el Sol pueda enviar, manteniendo casi segura toda la instrumentación.

Betsy Congdon, del Laboratorio de Física Aplicada Johns Hopkins, es el ingeniero térmico principal en el escudo térmico que la sonda solar Parker de la NASA utilizará para protegerse del sol. El escudo es tan robusto, Congdon puede usar un soplete en un lado y el otro lado lo suficientemente frío como para tocarlo. Crédito: Goddard Space Flight Center de la NASA

La copa que mide el viento

Pero no todos los instrumentos de la sonda Solar Parker estarán detrás del TPS.

El Solar Probe Cup es uno de los dos instrumentos de Parker Solar Probe que no estarán protegidos por el escudo térmico. Este instrumento es lo que se conoce como una taza 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 el instrumento no solo sobreviva, sino que también la electrónica a bordo puede enviar lecturas precisas.

La taza en sí está hecha de láminas de titanio-zirconio-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 Solar Probe Cup están hechos de tungsteno, un metal con el punto de fusión más alto conocido de 6,192 F (3,422 C). Normalmente, los láseres se utilizan para grabar las líneas de la cuadrícula en estos chips; sin embargo, debido al alto punto de fusión, se debe usar ácido en su lugar.

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

Para asegurarse de que el instrumento estaba listo para el entorno hostil, los investigadores necesitaron 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-jurado para aumentar su temperatura. Los proyectores imitaban el calor del Sol, mientras que el acelerador de partículas exponía la taza a la radiación para asegurarse de que la taza pudiera medir las partículas aceleradas en las condiciones más intensas. Para estar absolutamente seguro de que Solar Probe Cup resistiría el ambiente hostil, se utilizó el Horno Solar Odeillo, que concentra el calor del Sol a través de 10,000 espejos ajustables, para probar la taza contra la intensa emisión solar.

El escudo térmico de Parker Solar Probe está compuesto por dos paneles de compuesto de carbono y carbono sobrecalentado que intercalan un núcleo de espuma de carbono ligero de 4,5 pulgadas de grosor. Para reflejar la mayor cantidad posible de energía del Sol lejos de la nave espacial, el lado que mira hacia el Sol del escudo térmico también se rocía con un recubrimiento blanco especialmente formulado. Crédito: NASA / Johns Hopkins APL / Ed Whitman

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

La nave espacial que mantiene la calma

Varios otros diseños en la nave espacial mantienen Parker Solar Probe al abrigo del calor. Sin protección, los paneles solares, que usan energía de la misma estrella que se estudia para alimentar la nave espacial, pueden sobrecalentarse. En cada aproximación 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 calefactado 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 enfriamiento es lo suficientemente potente como para enfriar una sala de estar de tamaño medio, y mantendrá los paneles solares y la instrumentación fresca y funcionando mientras está en el calor del sol.

El refrigerante utilizado para el sistema? Aproximadamente un galón (3.7 litros) de agua desionizada. Aunque 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, se presurizará, por lo que el punto de ebullición será 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 mayormente solo en su viaje. 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 salga mal, sería demasiado tarde para corregirla.

En la instalación de procesamiento de Astrotech en Titusville, Florida, cerca del Centro Espacial Kennedy de la NASA, el martes 5 de junio de 2018, técnicos e ingenieros realizan pruebas de barra de luz en la sonda solar Parker de la NASA. La nave espacial se lanzará en un cohete United Launch Alliance Delta IV Heavy del Space Launch Complex 37 en la Estación de la Fuerza Aérea de Cabo Cañaveral en Florida. La misión realizará las observaciones más cercanas de la historia de una estrella cuando viaje a través de la atmósfera del Sol, llamada corona. La sonda se basará en mediciones e imágenes para revolucionar nuestra comprensión de la corona y la conexión Sol-Tierra. Crédito: NASA / Glenn Benson

Por lo tanto, la nave espacial está diseñada para mantenerse de manera autónoma segura y en camino al 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 los instrumentos protegidos de forma segura. Todo esto tiene que suceder sin intervención humana, por lo que el software central de la computadora ha sido programado y probado exhaustivamente para garantizar que todas las correcciones se realicen sobre la marcha.

Lanzando hacia el sol

Después del lanzamiento, Parker Solar Probe detectará la posición del Sol, alineará el escudo de protección térmica para enfrentarlo y continuará 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, el hará 24 órbitas de nuestra estrella. En cada aproximación al Sol, tomará muestras del viento solar, estudiará la corona del Sol y proporcionará observaciones de cerca sin precedentes de nuestra estrella, y armado con su gran cantidad de tecnologías innovadoras, sabemos que se mantendrá fresco todo el tiempo.


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