¿Cómo ‘tocó’ el sol la sonda solar Parker sin derretirse? » ABC de la ciencia

Un escudo térmico innovador, sensores avanzados y un sistema de enfriamiento eficiente ayudaron a Parker Solar Probe a mantenerse fresco mientras se acercaba a uno de los entornos más hostiles del sistema solar.

El 28 de abril de 2021, la sonda solar Parker de la NASA se convirtió en la primera nave espacial en ‘tocar’ el sol al caer en picado a las profundidades de la atmósfera solar. La NASA confirmó más tarde, el 14 de diciembre de 2021, que la sonda se había acercado al sol y tomó muestras de partículas y midió los campos magnéticos en el proceso. El mundo entero recibió la noticia con admiración y asombro.

Sin embargo, la emoción inicial y el asombro en la mente de todos pronto fueron reemplazados por una pregunta curiosa; ¿Cómo logró una nave espacial acercarse al sol sin derretirse bajo su temperatura extrema?

Vídeo recomendado para ti:

La sonda solar Parker

La NASA lanzó la sonda solar Parker el 12 de agosto de 2018, en un esfuerzo por desentrañar los secretos del sol. La misión tenía como objetivo estudiar el sol, su atmósfera y los vientos solares. Este esfuerzo estelar fue revolucionario y único por muchas razones.

La nave espacial Solar Probe Plus se sumergirá directamente en la atmósfera solar.

La sonda solar Parker alcanzó una altura de 11 millones de kilómetros sobre la superficie del sol (Crédito de la foto: Wikimedia commons)

Parker Solar Probe marca el primer viaje de la humanidad a una estrella. ¡Ninguna otra nave espacial ha llegado nunca tan cerca de nuestro sol, y mucho menos una estrella de otro sistema solar! Con una masa de 735 kg y solo del tamaño de un automóvil pequeño, es una de las naves espaciales más livianas, pero también una de las más poderosas en la historia de la NASA.

La sonda es también el objeto más rápido jamás creado por el hombre, con la capacidad de alcanzar una velocidad de casi 692.000 km/h. Además, Parker Solar Probe es la primera nave espacial de la NASA que lleva el nombre de una persona viva: el astrofísico Dr. Eugene Parker, quien en 1958 predijo la existencia de los vientos solares.

Después de numerosas órbitas y múltiples acercamientos, la sonda finalmente ‘tocó’ el sol, pero ¿qué significa tocar el sol? Para averiguarlo, primero echemos un vistazo a la estructura del sol.

La trayectoria de la sonda (Crédito de la foto: Philipp Hienstorfer/Wikimedia commons)

¿Qué significa ‘tocar el sol’?

Es imposible aterrizar una nave espacial en la superficie del sol porque, a diferencia de la mayoría de los planetas, el sol no tiene una superficie sólida. Nuestro sol es esencialmente una esfera de gases sobrecalentados y plasma unidos por la gravedad. El sol consta de siete capas; 3 capas interiores y 4 exteriores.

Estructura interna solar

Capas del sol (Crédito de la foto: Sakurambo/Wikimedia commons)

Las capas internas del sol consisten en el núcleo, la zona de radiación y la zona de convección. El centro es la central eléctrica del sol, donde bajo una presión y temperatura inmensas, la fusión nuclear alimenta al sol. El zona radiativacomo sugiere su nombre, es la capa donde emana la radiación del núcleo.

El zona de convección es la región donde la radiación viaja hacia el exterior en forma de corrientes de convección. Las corrientes de convección ocurren cuando los gases calientes suben y los gases fríos se hunden.

Las capas exteriores del sol son la fotosfera, la cromosfera, la región de transición y la corona. El fotosfera se conoce como la superficie del sol. Esta es la capa que ‘vemos’ cuando miramos al sol, y forma un límite entre las capas internas y la atmósfera solar.

la corona solar

El atmósferael capa de transicióny el corona forman la atmósfera solar. La corona es la capa más externa de la atmósfera solar y es visible durante un eclipse solar. Esta capa se ve puntiaguda e irregular, algo así como una corona. Por lo tanto, lleva el nombre de la palabra latina para corona: Corona.

la corona del sol

La corona vista durante un eclipse solar (Crédito de la foto: Wellcome Images/Wikimedia commons)

Entre estas capas, la sonda Parker ha llegado a la corona solar. Entonces, cuando decimos que la sonda ha tocado el sol, lo que queremos decir es que ha volado hacia la corona.

La corona siempre ha sido un misterio para los científicos porque es casi 300 veces más caliente que la superficie del sol, a pesar de ser mucho menos densa. Los científicos han quedado desconcertados por esta anomalía de calentamiento de la corona y creen que la sonda solar Parker podría proporcionar una idea de la ciencia detrás de este misterio.

Ahora, profundicemos en la verdadera pregunta… ¿Cómo logró la sonda llegar tan lejos sin derretirse?

¿Por qué no se derrite la sonda?

Parker Solar Probe es una maravilla de la ingeniería y la tecnología. Hizo uso de ciencia avanzada y tecnología de punta para sobrevivir al entorno estelar mortal.

Calor vs Temperatura

El sol mismo es uno de los factores que mantienen la sonda segura. Para entender esto, aclaremos qué son exactamente el calor y la temperatura.

El calor define la energía total de un sistema (energía cinética + energía potencial). La temperatura, por otro lado, es una medida de la energía cinética promedio de un sistema, una medida de qué tan rápido se mueven las partículas.

Por ejemplo, considere una cerilla encendida y una taza de café caliente. El fósforo tiene una temperatura más alta porque las partículas que se queman tienen una energía cinética alta, pero el café caliente tiene más calor, ya que hay muchas más partículas en una taza de café, lo que hace que la energía total de todas las partículas sea mucho más alta que la de un café. fósforo.

En resumen, el hecho de que algo tenga una temperatura alta no significa necesariamente que tenga una energía térmica alta. El calor transferido depende de la cantidad y densidad de partículas en el sistema.

Es un caso similar con el sol. La corona tiene una temperatura muy alta, ya que las partículas tienen una energía cinética alta. Sin embargo, la corona también tiene baja densidad, ya que las partículas de alta temperatura se dispersan en un área grande. Entonces, comparativamente, solo unas pocas partículas del sol interactuarán con la sonda, lo que reduce drásticamente el riesgo de daño por calor.

Entonces, incluso si la corona tiene una temperatura de 1 millón de grados centígrados, solo calentará la sonda a aproximadamente 1400 °C.

El escudo térmico

Así como usamos un paraguas para protegernos del sol, la sonda utiliza un escudo térmico avanzado llamado Sistema de Protección Térmica (TPS), que es un escudo de carbono de 2,5 metros de ancho y 11,5 cm de espesor que protege a la nave espacial del sol.

El escudo térmico está hecho de un ligero núcleo de espuma de carbono intercalado entre dos paneles de sobrecalentado compuesto de carbono-carbono. La superficie del escudo que mira hacia el sol está pintada adicionalmente con un capa blanca que refleja la mayor parte de la luz solar que cae sobre él.

Escudo térmico PSP1

Estructura del escudo térmico

El compuesto carbono-carbono consta de fibras de carbono incrustadas en una matriz de carbono. Este es uno de los mejores materiales para usar como escudo térmico debido a su peso ligero, resistencia a altas temperaturas y estabilidad estructural. El núcleo de espuma es casi 97% aire y actúa como un buen aislante del calor. Así, el TPS puede soportar temperaturas de hasta 1650oC.

Este video de la NASA demuestra la eficiencia del escudo térmico: https://youtu.be/BKinVmBoIrE

Dentro de la corona, el panel que mira hacia el sol puede calentarse hasta 1400 °C y aún así mantener el panel posterior a alrededor de 315 °C, mientras que la nave espacial en sí existe a una temperatura agradable de 30 °C.

Los sensores solares

Dado que la mayor parte de la sonda está detrás del escudo térmico, incluso una ligera desalineación puede exponer toda la nave espacial al calor del sol. En tal caso, es imposible controlar la orientación de la sonda desde la tierra, ya que lleva mucho tiempo. En resumen, ahí fuera, la sonda está sola.

Por lo tanto, la sonda tiene un mecanismo incorporado para detectar su propia alineación con el sol. Siete sensores solares se colocan a lo largo de los bordes de la nave espacial. Cuando cualquiera de estos sensores detecta la luz solar, advierten a la computadora central y la nave espacial realinea su posición. De esta forma, los instrumentos quedan a salvo del entorno solar hostil.

La copa de la sonda solar

Aunque la mayor parte de la nave espacial está oculta detrás del escudo térmico, hay algunas partes que sobresalen valientemente y se exponen a la radiación mortal del sol. Estas piezas se construyeron específicamente para soportar todo el calor y las emisiones de partículas que sufrirían.

Una de las partes más importantes de la sonda es la Copa de sonda solar o la Copa Faraday. Esta copa mira directamente al sol, para recolectar y detectar las partículas de alta energía que vienen en ráfagas hacia él. La copa está hecha de una aleación de molibdeno con un punto de fusión muy alto (2.349oC) y sus rejillas eléctricas están hechas de tungsteno, el metal con el punto de fusión más alto (3.422oC).

Además, para garantizar que el cableado eléctrico del instrumento no se derrita, están hechos de niobio y suspendidos en tubos de cristal de zafiro.

El sistema de refrigeración por agua

¡Obviamente, la mejor fuente de energía para impulsar una nave espacial que vuela hacia el sol es la energía solar misma! Sin embargo, demasiada energía solar también puede ser una pesadilla. Una inmensa cantidad de luz solar puede sobrecalentar y dañar los paneles solares dentro de la nave espacial. Para evitar esto, los paneles solares están diseñados para retraerse y exponer solo una parte de su superficie a la luz solar durante acercamientos cercanos. Esto evitó la sobreabsorción de la luz solar, al mismo tiempo que proporcionaba suficiente energía para impulsar la nave espacial.

sonda solar

Los paneles solares son retráctiles (Crédito de la foto: NASA)

Los paneles solares también se enfrían mediante un mecanismo de enfriamiento simple. La nave espacial hace uso de un sistema de refrigeración de paneles solares refrigerado por agua. La sonda utiliza alrededor de 3,6 litros de agua para enfriar los paneles solares. El agua fluye a través de pequeños canales incrustados en los paneles solares y luego absorbe el exceso de calor. Luego, el agua caliente fluye hacia cuatro radiadores donde el calor se irradia al espacio. Esto mantiene los paneles solares lo suficientemente fríos para funcionar de manera eficiente.

¡Así es como Parker Solar Probe se mantiene fresco, incluso cuando se dirige directamente hacia el sol!

Conclusión

Parker Solar Probe es la culminación de décadas de investigación y desarrollo. El éxito de la misión es un logro monumental para la ciencia y la humanidad. La misión está diseñada para tener 24 aproximaciones cercanas al sol dentro de su vida útil estimada de siete años (2018-2025). ¡Con su sistema de refrigeración experto, la sonda se adentrará en extensiones inexploradas del sol y revelará nuevos misterios del universo!