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Alles, was Sie über die Kühlsysteme der NASA wissen müssen, damit die Parker-Sonnensonde nicht in der Sonne schmilzt

Alles, was Sie über die Kühlsysteme der NASA wissen müssen, damit die Parker-Sonnensonde nicht in der Sonne schmilzt


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In 10 Tagen wird die Parker Solar Probe der NASA eine beispiellose Reise ins Zentrum des Sonnensystems antreten. Die Sonde, die für die Sonne bestimmt ist, überfliegt die Sonnenatmosphäre im nächstgelegenen Vorbeiflug um einen Stern und markiert eine historische Begegnung mit der Sonnenkorona.

Geplant für den Start 11. August 2o18Die Parker Solar Probe wird die erste Mission der Menschheit sein, die einen Stern besucht. Die Sonde wird unweigerlich einige der extremsten Bedingungen aushalten, denen ein Raumschiff jemals ausgesetzt war. Der Schutz der wissenschaftlichen Ausrüstung an Bord vor den feindlichen Bedingungen ist eines der fortschrittlichsten und robustesten Kühlsysteme, die verhindern, dass der Stern, der die Parker Solar Probe erforscht, in der Sonnenatmosphäre schmilzt.

Auf seiner Reise bietet die Parker Solar Probe die erste Nahaufnahme eines Sterns, der durch die Sonnenatmosphäre taucht. Aus einer Entfernung von nur wenigen Sonnenradien (der Länge des Sonnenradius) kann die Sonde die Sonnenatmosphäre direkt beobachten und die Möglichkeit bieten, Sonnenanomalien zu untersuchen, die von der Erde aus nicht zu beobachten sind.

Es wird eines der autonomesten Systeme sein, die jemals auf den Markt gebracht wurden, und zweifellos tiefgreifende und verwirrende Informationen über den Stern im Zentrum unseres Sonnensystems liefern. Aber die größte Herausforderung wird es sein, es kühl zu halten.

"Unsere Solaranlagen werden in einer extremen Umgebung betrieben, in der andere Missionen noch nie zuvor eingesetzt wurden", sagte Mary Kae Lockwood vom Johns Hopkins Applied Physics Lab, Systemingenieurin für Raumfahrzeuge bei Parker Solar Probe.

Die Sonde hat ein bemerkenswert schmales Profil und befindet sich vor dem größten Teil des Fahrzeugs und ist massiv 2,5 Meter breiter Hitzeschild, der einen Großteil des Raumfahrzeugs von der Sonne fernhält. Darüber hinaus folgt die Sonde einem stark elliptischen Orbitalpfad, der sicherstellt, dass das Raumschiff nicht lange genug der Sonne ausgesetzt ist, um es drastisch aufzuheizen.

Halten Sie die Parker-Sonnensonde der NASA in der Sonnenatmosphäre kühl

In den nächsten Monaten wird die Parker Solar Probe auf dem Weg zur Sonne sein. Die Mission wird fast dauern 7 Jahreund in dieser Zeit wird die Sonde machen 24 Nahbereichspässe um die Sonne. Es kommt der Sonne näher als jedes andere Flugzeug und verwendet dazu eine Kombination aus Wärmeschutz- und Kühlsystemen, um die Ausrüstung an Bord bei nominalen Betriebstemperaturen zu halten.

"Parker Solar Probe wird nach innen fliegen 4 Millionen Meilen der Sonnenoberfläche, Hitze und Strahlung ausgesetzt wie kein Raumschiff davor. Um dorthin zu gelangen, ist ein innovativer Weg erforderlich ", behauptet die NASA.

Am nächsten Perihel (dem der Sonne am nächsten gelegenen Umlaufpunkt) kommt die Sonde sieben Mal näher als jedes Raumschiff zuvor.

Die Sonnensonde tritt in die Sonne ein koronales Plasma - eine atmosphärische Schicht aus einem ionisierten Gas aus Elektronen, Protonen und schweren Ionen. An ihrem Perihel betritt die Parker-Sonnensonde einen Raumbereich, in dem die Temperaturen übersteigen können 500.000 Grad Celsius. Die Atmosphäre 6 Millionen Kilometer über der Sonnenoberfläche ist jedoch ziemlich dünn, sodass nur eine minimale Energiemenge in die Sonde übertragen wird. Während die Temperaturen über einer halben Million Grad Celsius liegen können, muss der Hitzeschild der Sonde nur Temperaturen von bis zu 1.400 Grad Celsius aushalten.

Um zu verstehen, wie die Sonde nicht vor der Sonne schmilzt, muss zwischen Wärme und Temperatur unterschieden werden. Dies ist der Unterschied zwischen dem Maß, wie schnell sich ein Partikel bewegt (die Temperatur), und der Gesamtenergie, die Partikel übertragen können (Wärme). Während die die Sonde umgebenden Temperaturen Hunderttausende von Grad betragen können, gibt es nur wenige Partikel, die tatsächlich viel Wärme übertragen. Innerhalb der Korona wird trotz hoher Temperatur nur minimale Wärme in das Raumschiff selbst übertragen.

Parker Solar Probe Hitzeschild

Der innovative Hitzeschild von Parker Solar Probe nimmt die stumpfe Hitze der Sonne auf und fungiert als erste Verteidigungslinie. Es besteht aus einem 11 cm dick Kohlenstoffschaumkern, der zwischen zwei Platten aus überhitztem Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoff angeordnet ist. Auf der Erde ist der Schaumkern 97% Luft, macht es extrem leicht und minimiert gleichzeitig die Wärmeleitung. In seiner Gesamtheit wiegt der Hitzeschild ungefähr 73 kg - über das Gewicht der durchschnittlichen Frau.

Da nur eine minimale Wärmemenge durch die Atmosphäre absorbiert wird, besteht die größte Sorge darin, die Menge an Sonnenlicht zu verringern, die vom Raumfahrzeug als Wärme absorbiert wird.

Die der Sonne zugewandte Seite des Hitzeschilds verfügt über ein stark reflektierendes Kohlenstoffmaterial, das so viel Energie wie möglich zurück zur Sonne lenken soll. Es ist mit einer speziell formulierten weißen Beschichtung versehen, die die meisten Sonnenstrahlen reflektieren kann, insbesondere Ultraviolett, Infrarot und den größten Teil des sichtbaren Lichtspektrums.

Das Material ist so konstruiert, dass es sich in der extremen Hitze der Sonne auf seinem Tiefpass nicht verschlechtert oder reißt, und im Gegenteil, es wird auch nur minimal durch die extreme Kälte am gegenüberliegenden Ende seiner Umlaufbahn beeinträchtigt.

"Wir haben viel über die Leistung von Solaranlagen von dem von [APL gebauten] MESSENGER-Raumschiff gelernt, das als erstes Merkur untersucht hat", sagte Lockwood. "Insbesondere haben wir gelernt, wie man ein Panel entwirft, das die Verschlechterung durch ultraviolettes Licht abschwächt."

Obwohl der Hitzeschild Temperaturen über 1000 Grad Celsius erreicht, bleibt der Rest des Raumfahrzeugs, das sich hinter dem Schild befindet, bei nahezu Raumtemperatur.

"Der Hitzeschild mit einem Durchmesser von acht Fuß schützt alles in seiner Umbra, den Schatten, den es auf das Raumschiff wirft. Bei der Annäherung von Parker Solar Probe an die Sonne erreichen die Temperaturen auf dem Hitzeschild fast 2.500 Grad Fahrenheit, aber das Raumschiff und Die Instrumente werden auf einer relativ angenehmen Temperatur von etwa 85 Grad Fahrenheit gehalten ", behauptet die NASA.

Um zu verhindern, dass Wärme an empfindliche Geräte gelangt, muss nicht nur das verwendete Material berücksichtigt werden, sondern auch, wie es am Raumfahrzeug montiert werden soll.

Jeder Kontaktpunkt zwischen dem Hitzeschild und dem Rest der Sonde schafft einen Weg, auf dem sich Wärme bewegen kann. Es ist unbedingt erforderlich, die Verbindungspunkte zu minimieren, um die Wärmeübertragung durch das Fachwerk zu verhindern und gleichzeitig sicherzustellen, dass das Fahrzeug strukturell einwandfrei bleibt.

Um zu verhindern, dass Wärme durch die Sonde übertragen wird, wird das Wärmeschutzsystem nur an 6 Punkten mit dem Fachwerk der Parker Solar Probe verbunden, wodurch die Wärmeübertragung auf den Rest des Raumfahrzeugs minimiert wird.

Der Wärmeschutz ist eine phänomenale Abwehr gegen das extreme Sonnenlicht, jedoch nicht zum Schutz des gesamten Fahrzeugs gedacht. Einige andere Systeme, wie die Solaranlagen der Sonde, müssen so konstruiert sein, dass sie direktem Sonnenlicht aus nur wenigen Sonnenradien standhalten.

Wie die Sonnenkollektoren das Inferno überleben

Die Parker Solar Probe der NASA ist vollständig von der Sonne abhängig. Während seine Hauptaufgabe darin besteht, einen Stern aus nächster Nähe zu untersuchen, erfordert die Durchführung einer solchen Untersuchung Energie, die auch vollständig von der Sonne stammt.

Während des größten Teils der Reise wird sich die Solaranlage der Parker Solar Probe vor dem auf die Sonne gerichteten Raumschiff erstrecken. Bei näherer Annäherung werden die Paneele jedoch hinter dem Hitzeschild versenkt, so dass nur ein kleiner Teil der äußersten Kanten der Solaranlage über den Schutz des Wärmeschutzschilds hinausragt. Ein kleiner Teil der Sonnenkollektoren ist immer der Sonne ausgesetzt, um die Bordsysteme mit der erforderlichen Energie zu versorgen.

"Parker Solar Probe wird von zwei Solaranlagen mit einer Gesamtfläche von knapp 1,55 Quadratmetern angetrieben. Sie sind an motorisierten Armen montiert, die fast die gesamte Oberfläche hinter dem Wärmeschutzsystem - dem Hitzeschild - zurückziehen Das Raumschiff ist nah an der Sonne. " beschreibt die NASA.

Die Art des extremen Sonnenlichtbereichs, dem die Sonde ausgesetzt ist, führt zu Problemen, die bei bodengestützten Solarbetrieben normalerweise nicht auftreten.

Mit einer festen Solaranlage würden die Sonnenkollektoren bei Annäherung an die Sonne genug Strom erzeugen, um sich selbst mit Wärme zu zerstören, ganz zu schweigen von der von der Sonne selbst absorbierten Wärme.

„Im Gegensatz zu solarbetriebenen Missionen, die weit von der Sonne entfernt sind und sich nur auf die Stromerzeugung konzentrieren, müssen wir den erzeugten Strom zusammen mit der erheblichen Wärme, die durch die Nähe zur Sonne entsteht, verwalten“, sagte Andy Driesman, Projekt Manager des Johns Hopkins Applied Physics Laboratory in Laurel, Maryland. „Wenn wir uns auf der Umlaufbahn der Venus befinden, erweitern wir die Arrays vollständig, um die benötigte Leistung zu erhalten. Aber wenn wir uns der Sonne nähern, stecken wir die Arrays zurück, bis nur noch ein kleiner Flügel freigelegt ist und dieser Teil ausreicht, um die benötigte elektrische Energie bereitzustellen. "

Parker-Sondenkühlung

Ohne Kühlsysteme würden die an der Parker Solar Probe montierten Solarmodule auf ihrer nächsten Umlaufbahn im direkten Sonnenlicht schwer beschädigt. Das Kühlen der Paneele ist ein relativ einfaches Kühlsystem. Ein beheizter Tank, der verhindert, dass das Kühlmittel während des Starts gefriert, zwei Heizkörper, um die Wärme im engen Orbit abzuleiten, Aluminiumlamellen, um die Kühlfläche zu maximieren, und Pumpen, um das Kühlmittel durch das System zu zirkulieren.

Das Wasser wird separat in einem beheizten Behälter aufbewahrt, damit es beim Start nicht gefriert. In der Umlaufbahn kehrt das Wasser zu den Kühlsystemen zurück, wo es zu zirkulieren beginnt.

Insgesamt benötigt die Sonde nur etwas weniger als vier Liter von entionisiertem Wasser, um die Sonnenkollektoren jederzeit kühl zu halten. Im Betrieb ist das Wasser Temperaturen zwischen 10 ° C und 125 ° C ausgesetzt - ein Bereich, der über das hinausgeht, was die meisten Flüssigkeiten so effektiv handhaben können wie Wasser.

Um zu verhindern, dass das Wasser bei einem Höchstwert von 125 ° C im hohen Bereich kocht, wird das System unter Druck gesetzt, um den Siedepunkt über 125 ° C zu erhöhen.

"Ein Teil der NASA-Technologie-Demonstrationsfinanzierung wurde von APL und unseren Partnern bei UTAS verwendet, um eine Vielzahl von Kühlmitteln zu untersuchen", sagte Lockwood. "Aber für den Temperaturbereich, den wir benötigten, und für die Massenbeschränkungen war Wasser die Lösung."

Die Solarpanelsysteme haben bereits ihre Kompetenz unter Beweis gestellt, um den extremen Temperaturen standzuhalten, die auf ihrer Reise durch die äußere Atmosphäre der Sonne zu erwarten sind.

Die Paneele wurden Anfang dieses Jahres getestet, indem ein großer Strom durch das Array geleitet und drastisch erwärmt wurde, um zu simulieren, was passieren würde, wenn die Paneele zu viel Energie absorbieren und erzeugen würden.

Während des Tests begann jede Solarzelle rot zu leuchten, sodass Wissenschaftler jede einzelne Solarzelle auf mögliche Defekte untersuchen konnten. Glücklicherweise hat das Array die Tests bestanden und es wird erwartet, dass es eine nahezu direkte Konfrontation mit der Sonne überlebt.

Autonome Steuerung der Parker-Sonnensonde

Auf der Erde bewegt sich das Licht fast augenblicklich, was es zu einem recht praktischen Werkzeug für die Kommunikation und Steuerung macht. Funkgeräte reagieren fast sofort, sobald ein Controller einen Eingang erhält. Ein paar Millionen Kilometer entfernt verursacht die Lichtgeschwindigkeit jedoch ein ziemliches Problem.

Die Parker Solar Probe wird den größten Teil ihrer Reise weitgehend alleine verbringen. Auf der anderen Seite der Sonne würde neben einem gigantischen Fusionsball, der die Möglichkeit eines Signals blockiert, jeder Befehl an die Sonde bis zu 8 Minuten dauern, um das Raumschiff zu erreichen. Wenn Ingenieure die Sonde manuell steuern müssten, würde jeder Eingang 8 Minuten dauern, bevor ein Signal gelesen wird. Das Problem wird immer noch durch die Tatsache verschlimmert, dass es 8 Minuten dauert, bis die Sonde die Ingenieure erreicht, wenn die Sonde Informationen zurücksendet. Tatsächlich dauert es 8 Minuten, bis ein Problem gemeldet wird, und weitere 8 Minuten, bis es manuell behoben werden kann. In einer schlimmen Situation in einer so feindlichen Umgebung wie der Sonne ist es keine Option, 16 Minuten auf jeden Befehl zu warten. Deshalb haben die NASA-Ingenieure beschlossen, alles zu automatisieren.

Mehrere Sensoren von ungefähr der Größe eines Mobiltelefons sind um den Körper des Raumfahrzeugs sowie entlang der Kante des Hitzeschilds angebracht. Sollte ein Detektor direktes Sonnenlicht wahrnehmen, wird ein Alarm an den Zentralcomputer des Raumfahrzeugs gesendet, bevor nachfolgende Korrekturen vorgenommen werden, um das Fahrzeug neu auszurichten und den Rest der Sonde vor der Hitze der Sonne zu schützen.

Dies alles muss ohne menschliches Eingreifen geschehen, daher wurde die zentrale Computersoftware programmiert und ausgiebig getestet, um sicherzustellen, dass alle Korrekturen im laufenden Betrieb vorgenommen werden können ", sagt die NASA.

Das Schmelzen der Parker-Sonnensonde in der Sonnenatmosphäre ist eine gewaltige Herausforderung, die durch eine Reihe innovativer Technologien unterstützt wird, um die Menschheit einem Stern näher als je zuvor zu bringen. Während es mehr Fragen aufwirft als beantwortet, sind Wissenschaftler begeistert von der Reise und dem Wissen, das zweifellos gewonnen werden wird. Es ist noch ein langer Weg, aber am Ende des Tunnels ist sicherlich Licht, und die NASA plant, alles einzufangen.


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