Parker Solar Probe Güneşe Dokundu
Tarihte ilk kez bir uzay aracı güneşe dokundu. 2018 yılında fırlatılan NASA’nın Parker Solar Probe isimli uzay aracı, güneşin çevresinde 3 yıl boyunca her seferinde biraz daha yakınlaşarak attığı turlardan sonra, 2021 yılının son günlerinde güneşin üst atmosferi olan koronanın içinden uçtu ve buradaki parçacıkları ve manyetik alanları örnekledi.
Bu sıradışı başarı, güneş bilimi için dev bir adımı işaret ediyor. Güneşin yapıldığı maddeye dokunmak, bilim adamlarının en yakın yıldızımız ve onun güneş sistemi üzerindeki etkisi hakkında kritik bilgileri ortaya çıkarmasına yardımcı olacaktır.
Koronanın içi de elbette hayal edilemeyecek kadar sıcak. Uzay aracı, yoğun güneş ışığı ile bombardımana tutulurken, bir milyon Fahrenheit derecenin üzerindeki sıcaklıklara maruz kaldı.
Peki Neden Erimiyor?
Parker Solar Probe, görev için zorlu koşullara ve sıcaklık dalgalanmalarına dayanacak şekilde tasarlanmıştır. Anahtar, özel ısı kalkanında ve görevi güneşin yoğun ışık emisyonundan korumaya yardımcı olan, ancak koronal malzemenin uzay aracına “dokunmasına” izin veren özerk bir sistemde yatıyor.
Kaplama Teknolojisinin Arkasındaki Bilim
Uzay aracını ve aletlerini neyin güvende tuttuğunu anlamanın bir anahtarı, ısıya karşı sıcaklık kavramını anlamaktır. Sezgisel olarak zannedildiği gibi, yüksek sıcaklıklar her
zaman başka bir nesneyi gerçekten ısıtmak anlamına gelmez.
Uzayda sıcaklık, belirli bir nesneye önemli bir ısı sağlamadan veya sıcaklık hissetirmeden, binlerce dereceye kadar çıkabilir. Ama, nasıl? Sıcaklık, parçacıkların ne kadar hızlı hareket ettiğini ölçerken, ısı, parçacıkların aktardıkları toplam enerji miktarını ölçer.
Parçacıklar hızlı hareket ediyor olabilir (yüksek sıcaklık), ancak çok az sayıdalarsa, çok
fazla enerji transfer etmezler (düşük ısı). Uzay çoğunlukla boş olduğundan, uzay aracına enerji aktarabilen çok az parçacık vardır.
Örneğin, Parker Solar Probe’un içinden geçtiği korona, son derece yüksek bir sıcaklığa ancak çok düşük yoğunluğa sahiptir. Elinizi sıcak bir fırının için sokmak ile kaynar su dolu bir tencereye koymak arasındaki farkı düşünün (bunu evde denemeyin!) – fırında eliniz, çok daha fazla parçacıkla etkileşime girilen kaynar suya göre, çok daha yüksek sıcaklıklara daha uzun süre dayanabilir.
Benzer şekilde, güneşin görünür yüzeyi ile karşılaştırıldığında, korona daha az yoğundur, bu nedenle uzay aracı daha az sıcak parçacıkla etkileşime girer ve çok fazla ısı almaz.
Bu, Parker Solar Probe’un birkaç milyon derecelik sıcaklıklara sahip bir boşlukta seyahat ederken, güneşe bakan ısı kalkanının yüzeyinin yalnızca yaklaşık 2,500 Fahrenheit
(yaklaşık 1,400 santigrat derece) kadar ısıtılacağı anlamına gelir.
Aracı Koruyan Kalkan
Tabii ki, binlerce derece hala fevkalade yüksek bir sıcaklıktır. (Karşılaştırma açısından belirtmek gerekirse, yanardağ püskürmelerinden kaynaklanan lavlar 700 ila 1200oC
arasındadır) ve bu ısıya dayanmak için Parker Solar Probe, Termal Koruma Sistemi veya TPS olarak bilinen ve 8 fit (2,4 metre) çapında ve 4,5 inç (yaklaşık 115 mm) kalınlığında
bir kalkana sahiptir.
Bu birkaç inçlik koruma ile, kalkanın hemen arkasındaki uzay aracı gövdesi, 85oF (30oC) sıcaklıkta sabitlenmiştir. TPS, Johns Hopkins Uygulamalı Fizik Laboratuvarı tarafından tasarlandı ve Karbon-Karbon Gelişmiş Teknolojilerinde, iki karbon levha arasına sıkıştırılmış
bir karbon kompozit köpük kullanılarak inşa edildi.
Bu hafif yalıtıma, mümkün olduğunca fazla ısıyı yansıtmak için güneşe bakan plaka üzerinde aşağıda daha detaylıca açıklanacak beyaz seramik boyanın son dokunuşu eşlik etmektedir.
3000oF’ye (1650oC) dayanacak şekilde test edilen TPS, güneşin gönderebileceği her türlü ısıyı kaldırabilir ve neredeyse tüm enstrümantasyonu güvende tutar.
Bunun için APL (Applied Physics Laboratory), Johns Hopkins Üniversitesi Whiting Mühendislik Okulu’ndaki İleri Teknoloji Laboratuvarı’na başvurdu; ve burada şanslı bir
tesadüfün de yardımıyla, yüksek sıcaklık seramik, kimya ve plazma sprey kaplama uzmanlarının yer aldığı harika gibi bir ısı kalkanı kaplama ekibinin kurulması mümkün
oldu.
Kapsamlı mühendislik ve testlerden sonra ekip, parlak beyaz alüminyum oksit bazlı bir kaplamaya karar verdi. Ancak bu kaplama, yüksek sıcaklıklarda ısı kalkanının karbonuyla reaksiyona girebilir ve griye dönebilirdi, bu nedenle mühendisler, ısı kalkanı ile kaplamanın arasına, ikisinin etkileşimini durdurmak için bir saç telinden daha ince bir tungsten tabakası eklediler.
Kaplamayı daha beyaz hale getirmek ve ısıya maruz kaldığında alüminyum oksit tanelerinin genişlemesini engellemek için nano ölçekli katkı maddeleri eklediler. Ardından mühendisler, kaplamayı en iyi nasıl oluşturacaklarını ve uygulayacaklarını belirlemek zorunda kaldılar.
Sistem Bilimi ve Mühendisliği Merkezi’nde baş araştırma mühendisi olan Dennis Nagle, “Tüm ekip hem ışığı yansıtan hem de ısıyı yayan bir seramik kaplama bulmak için uğraşıyordu” dedi. Nagle, genellikle emaye ile çalışırken çekiçle vurulduğunda çatlayacak olan sert, gözeneksiz kaplamaların tercih edildiğini hatırlattı.
Ancak Parker Solar Probe’un karşılaştığı sıcaklıklar altında, pürüzsüz bir kaplama, cama bir taş atılmasında olacağı gibi, paramparça olur. Bunun yerine amaç, zorlu ortamlara dayanabilecek tek tip, gözenekli bir kaplamaydı.
Gözenekli bir kaplamalarda, oluşmaya başlayan çatlaklar bir gözenekle karşılaştıklarında dururlar. Sonuç olarak kaplama, bir dizi seramik grenden, yani diğer katmanın kaçırdığı
ışığı yansıtacak kadar birkaç pürüzlü, grenli katmandan oluşuturuldu.
Güneş Rüzgarını Ölçen Cihaz
Ancak Solar Parker Probe cihazlarının tümü TPS’nin arkasında yer almıyor. Isı kalkanının üzerinden dışarı uzanan Solar Probe Cup (Güneş Probu Kupası), Parker Solar Probe’da ısı kalkanı tarafından korunmayan iki cihazdan biridir.
Bu alet, güneş rüzgarından iyon ve elektron akılarını ve akış açılarını ölçmek için tasarlanmış bir sensör olan Faraday kabı olarak bilinir. Güneş atmosferinin yoğunluğu
nedeniyle, yalnızca cihazın sağlam kalmasını sağlamakla kalmayıp, aynı zamanda gemideki elektroniklerin de doğru okumaları geri gönderebilmesini sağlamak için benzersiz teknolojilerin tasarlanması gerekiyordu.
Kupanın kendisi, bir molibden alaşımı olan Titanyum-Zirkonyum- Molibden tabakalarından yapılmıştır ve erime noktası yaklaşık 4,260oF (2,349oC) seviyesindedir. Solar Probe Cup için bir elektrik alanı üreten ızgaralar, bilinen en yüksek erime noktası 6,192oF (3,422oC) olan bir metal olan tungstenden yapılmıştır.
Normalde bu ızgaralardaki ızgara çizgilerini aşındırmak için lazerler kullanılır – ancak yüksek erime noktası nedeniyle bunun yerine asit kullanılması gerekiyordu.
Bir başka zorluk da elektronik kablolama biçiminde ortaya çıktı. Çoğu kablo, güneşe bu kadar yakın bir yerde ısı radyasyonu yüzünden erirdi. Ekip, bu sorunu çözmek adına
kabloları asmak için safir kristal tüpler üretti ve kabloları niyobyumdan yaptı.
Enstrümanın zorlu ortama hazır olduğundan emin olmak için, araştırmacıların bir laboratuvarda güneşin yoğun ısı radyasyonunu taklit etmesi gerekiyordu. Test etmeye değer bir ısı seviyesi oluşturmak için araştırmacılar, sıcaklıklarını artırmak için geçici bir parçacık hızlandırıcı ve IMAX projektörleri kullandılar.
Projektörler güneşin ısısını taklit ederken, parçacık hızlandırıcı, kabın yoğun koşullar altında
hızlandırılmış parçacıkları ölçebildiğinden emin olmak için kupayı radyasyona maruz bıraktı.
Solar Probe Cup’ın zorlu çevreye dayanacağından kesinlikle emin olmak için, güneşin ısısını 10.000 ayarlanabilir ayna aracılığıyla konsantre eden Odeillo Solar Fırın, kabı yoğun güneş emisyonuna karşı test etmek için kullanıldı.
Solar Probe Cup, testlerini başarıyla geçti – gerçekten de, test ortamlarına ne kadar uzun süre maruz kalırsa, o kadar iyi performans göstermeye ve daha net sonuçlar vermeye
devam etti.
Ann Arbor’daki Michigan Üniversitesi’ndeki SWEAP cihazlarının baş araştırmacısı Justin Kasper, “Radyasyonun herhangi bir olası kontaminasyonu ortadan kaldırdığını düşünüyoruz. Aslında, kendi kendini temizledi” diye açıkladı.
Serinliğini Koruyan Uzay Aracı
Uzay aracındaki diğer birkaç tasarım, Parker Solar Probe’u ısıdan koruyor. Koruma olmadan, uzay aracına güç sağlamak için çalışılan ve güneşin enerjisini kullanan güneş panelleri aşırı ısınabilir.
Güneş panelleri güneşe her yaklaşmada, güneşin yoğun ışınlarına maruz kalan sadece
küçük bir alan bırakarak ısı kalkanının gölgesinin arkasına çekilir. Ancak güneşe bu kadar yakınken, daha da fazla korumaya ihtiyaç vardır.
Güneş enerjisi panel dizileri şaşırtıcı derecede basit bir soğutma sistemine sahiptir; fırlatma sırasında soğutucunun donmasını önleyen ısıtılmış bir tank, soğutucunun donmasını önleyecek iki radyatör, soğutma yüzeyini en üst düzeye çıkarmak için alüminyum kanatçıklar ve soğutucuyu sirküle etmek için pompalar.
Soğutma sistemi, aslında sadece ortalama büyüklükteki bir oturma odasını soğutmaya yetecek kadar güçlüdür ve güneşin sıcağındayken güneş panellerini ve enstrümantasyonu
serin ve çalışır durumda tutacaktır. Sistem için kullanılan soğutma sıvısı ise, yaklaşık bir galon (3,7 litre) deiyonize sudur.
Bol miktarda kimyasal soğutucu mevcut olsa da, uzay aracının maruz kalacağı sıcaklık aralığı 50oF (10oC) ile 257oF (125oC) arasında değişir. Çok az sıvı bu aralıkları su gibi işleyebilir.
Sıcaklığın daha yüksek ucunda suyun kaynamasını önlemek için, kaynama noktası 257oF (125oC) üzerinde olacak şekilde basınçlandırılacaktır.
Herhangi bir uzay aracını korumanın diğer bir sorunu, onunla nasıl iletişim kuracağını bulmaktır. Parker Solar Probe, yolculuğunda büyük ölçüde yalnız hareket edecektir. Işığın dünya’ya ulaşması sekiz dakika sürüyor – yani mühendisler uzay aracını dünyadan kontrol etmek zorunda kalsaydı, bir şeyler ters gittiğinde düzeltmek için çok geç olurdu.
Bu nedenle uzay aracı, kendisini otonom olarak güvende tutmak ve güneşe giden yolda tutmak için tasarlandı. Bir cep telefonunun yaklaşık yarısı büyüklüğünde birkaç sensör, ısı kalkanından gelen gölgenin kenarı boyunca uzay aracının gövdesine bağlanır.
Bu sensörlerden herhangi biri güneş ışığını algılarsa, merkezi bilgisayarı uyarır ve uzay aracı, sensörleri ve diğer aletleri güvenli bir şekilde korumak için konumunu düzeltebilir. Bunların hepsi herhangi bir insan müdahalesi olmadan gerçekleşmelidir, bu nedenle merkezi bilgisayar yazılımı, tüm düzeltmelerin anında yapılabilmesini sağlamak için programlanmış
ve kapsamlı bir şekilde test edilmiştir.
Kaynakça
• https://www.nasa.gov/content/goddard/parker-solar-probe
• https://www.nasa.gov/feature/goddard/2021/nasa-enters-the-solar-atmosphere-for-the-first-time-bringing-new-discoveries
• https://phys.org/news/2018-08-parker-solar-probe.html
• Görseller: https://www.nasa.gov/content/goddard/parker-solar-probe-images
