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Todo lo que necesita saber sobre los sistemas de refrigeración de la NASA que evitarán que la sonda solar Parker se derrita al sol

Todo lo que necesita saber sobre los sistemas de refrigeración de la NASA que evitarán que la sonda solar Parker se derrita al sol


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En 10 días, la sonda solar Parker de la NASA se embarcará en un viaje sin precedentes hacia el centro del sistema solar. La sonda, destinada al sol, rozará la atmósfera del sol en el sobrevuelo más cercano alrededor de una estrella hasta la fecha, marcando un encuentro histórico con la corona solar.

Programado para lanzar 11 de agosto de 2o18, Parker Solar Probe se convertirá en la primera misión de la humanidad en visitar una estrella. Inevitablemente, la sonda soportará algunas de las condiciones más extremas jamás experimentadas por una nave espacial; La protección del equipo científico a bordo de las condiciones hostiles son algunos de los sistemas de enfriamiento más sofisticados y robustos que evitarán que la estrella que explora Parker Solar Probe se derrita en la atmósfera del sol.

En su viaje, Parker Solar Probe proporcionará la primera vista de cerca de una estrella mientras se sumerge en la atmósfera del Sol. Desde una distancia de unos pocos radios solares (la longitud del radio del Sol), la sonda podrá observar directamente la atmósfera del Sol y brindar la oportunidad de investigar anomalías solares imposibles de presenciar desde la Tierra.

Será uno de los sistemas más autónomos jamás lanzados y sin duda proporcionará información profunda y desconcertante sobre la estrella en el centro de nuestro sistema solar. Pero el mayor desafío será mantener la calma.

“Nuestros paneles solares van a operar en un entorno extremo en el que otras misiones nunca han operado antes”, dijo Mary Kae Lockwood, ingeniera de sistemas de naves espaciales del Laboratorio de Física Aplicada Johns Hopkins para Parker Solar Probe.

La sonda tiene un perfil estrecho notable y situada frente a la mayor parte de la nave es un enorme 2,5 metros escudo térmico ancho que mantendrá a la mayoría de las naves espaciales fuera de la línea directa del sol. Además, la sonda seguirá una trayectoria orbital altamente elíptica que garantizará que la nave espacial no esté expuesta al sol el tiempo suficiente para calentarla drásticamente.

Mantener fría la sonda solar Parker de la NASA en la atmósfera del sol

Durante los próximos meses, Parker Solar Probe estará en camino hacia el sol. La misión está programada para durar casi 7 años, y en ese tiempo la sonda hará 24 pases de corto alcance alrededor del Sol. Se acercará más al sol que cualquier avión anterior y, para ello, empleará una combinación de sistemas de refrigeración y protección térmica para mantener los equipos a bordo a temperaturas de funcionamiento nominales.

"Parker Solar Probe se adentrará en 4 millones de millas de la superficie del sol, enfrentando el calor y la radiación como ninguna nave espacial antes. Para llegar allí, se necesita una ruta innovadora ", afirma la NASA.

En su perihelio más cercano (punto de órbita más cercano al sol), la sonda llegará siete veces más cerca que cualquier nave espacial anterior.

La sonda solar entrará en el sol plasma coronal - una capa atmosférica compuesta por un gas ionizado de electrones, protones e iones pesados. En su perihelio, la sonda solar Parker entrará en una región del espacio donde las temperaturas pueden superar 500.000 grados Celsius. Sin embargo, la atmósfera a 6 millones de kilómetros por encima de la superficie del sol es bastante delgada, por lo que se transferirá una cantidad mínima de energía a la sonda. Si bien las temperaturas pueden superar el medio millón de grados Celsius, el escudo térmico de la sonda solo tendrá que soportar temperaturas de hasta 1.400 grados Celsius.

Comprender cómo la sonda no se derrite del sol es cuestión de diferenciar entre calor y temperatura. Es la diferencia entre la medida de qué tan rápido se mueve una partícula (la temperatura) versus la energía total que las partículas pueden transferir (calor). Si bien las temperaturas que rodean la sonda pueden ser de cientos de miles de grados, hay pocas partículas que realmente transfieran mucho calor. Dentro de la corona, a pesar de tener una temperatura alta, se transferirá un mínimo de calor a la propia nave espacial.

Escudo térmico de sonda solar Parker

El innovador escudo térmico de Parker Solar Probe se enfrenta al fuerte calor del sol y actúa como la primera línea de defensa. Se compone de un 11 cm de espesor núcleo de espuma de carbono que se intercala entre dos paneles de compuesto de carbono-carbono sobrecalentado. En la Tierra, el núcleo de espuma es 97% aire, haciéndolo extremadamente ligero y minimizando la conducción de calor. En su totalidad, el escudo térmico pesa aproximadamente 73 kilogramos - sobre el peso de la mujer promedio.

Dado que solo se absorberá una cantidad mínima de calor a través de la atmósfera, la mayor preocupación es mitigar la cantidad de luz solar que es absorbida como calor por la nave espacial.

El lado del escudo térmico que mira hacia el sol presenta un material de carbono altamente reflectante destinado a desviar la mayor cantidad de energía posible hacia el sol. Está pintado con una capa blanca especialmente formulada capaz de reflejar la mayoría de los rayos del sol, específicamente ultravioleta, infrarrojo y la mayor parte del espectro de luz visible.

El material está diseñado para no deteriorarse ni agrietarse con el calor extremo del sol en su paso bajo, y por el contrario, también se ve mínimamente afectado por el frío extremo experimentado en el extremo opuesto de su órbita.

“Aprendimos mucho sobre el rendimiento de los paneles solares de la nave espacial MESSENGER [construida por APL], que fue la primera en estudiar Mercurio”, dijo Lockwood. "En particular, aprendimos cómo diseñar un panel que mitigara la degradación de la luz ultravioleta".

A pesar de que el escudo térmico alcanza temperaturas superiores a los 1000 grados centígrados, el resto de la nave espacial situada detrás del escudo permanecerá casi a temperatura ambiente.

"El escudo térmico de dos metros y medio de diámetro protegerá todo lo que esté dentro de su umbra, la sombra que proyecta sobre la nave espacial. En la aproximación más cercana al Sol de Parker Solar Probe, las temperaturas en el escudo térmico alcanzarán casi los 2500 grados Fahrenheit, pero la nave espacial y sus instrumentos se mantendrán a una temperatura relativamente cómoda de unos 85 grados Fahrenheit ”, afirma la NASA.

Evitar que el calor llegue a equipos sensibles requiere una consideración exhaustiva no solo del material utilizado, sino también de cómo debe montarse en la nave espacial.

Cada punto de contacto entre el escudo térmico y el resto de la sonda crea un camino para que viaje el calor; Es imperativo minimizar los puntos de conexión para evitar la transferencia de calor a través del truss mientras se asegura que la embarcación se mantenga estructuralmente sólida.

Para evitar que el calor se transfiera a través de la sonda, el sistema de protección térmica se conecta a la armadura de Parker Solar Probe en solo 6 puntos, minimizando la transferencia de calor al resto de la nave espacial.

El escudo térmico es una defensa fenomenal contra la luz extrema del sol, sin embargo, no está diseñado para proteger toda la nave. Algunos otros sistemas, como los paneles solares de la sonda, deben diseñarse de manera que puedan soportar la luz solar directa desde unos pocos radios solares de distancia.

Cómo sobrevivirán los paneles solares al infierno

La sonda solar Parker de la NASA depende por completo del sol. Si bien su misión principal es investigar una estrella a un rango extremadamente cercano, realizar tal investigación requerirá energía, energía que también se derivará completamente del sol.

Durante la mayor parte del viaje, la matriz solar de Parker Solar Probe se extenderá frente a la nave espacial dirigida hacia el sol. Pero en su acercamiento más cercano, los paneles se empotrarán detrás del escudo térmico dejando solo una pequeña porción de los bordes más externos del panel solar para extenderse más allá de la protección del escudo protector térmico. Una pequeña parte de los paneles solares siempre estará expuesta al sol para proporcionar la energía necesaria a los sistemas a bordo.

"Parker Solar Probe funciona con dos paneles solares, con un total de poco menos de 17 pies cuadrados (1,55 metros cuadrados) de área. Están montados en brazos motorizados que retraerán casi toda su superficie detrás del Sistema de protección térmica, el escudo térmico, cuando la nave espacial está cerca del Sol ". describe la NASA.

La naturaleza del rango extremo de luz solar a la que estará expuesta la sonda presenta problemas que generalmente no experimentan las operaciones solares terrestres.

Con una matriz solar fija, al acercarse al sol, los paneles solares generarían suficiente electricidad para destruirse a sí mismos con calor, sin mencionar el calor absorbido por el sol mismo.

“A diferencia de las misiones con energía solar que operan lejos del Sol y se enfocan solo en generar energía a partir de él, necesitamos administrar la energía generada junto con el calor sustancial que proviene de estar tan cerca del Sol”, dijo Andy Driesman, proyecto gerente del Laboratorio de Física Aplicada Johns Hopkins en Laurel, Maryland. “Cuando estamos alrededor de la órbita de Venus, ampliamos completamente las matrices para obtener la energía que necesitamos. Pero cuando estamos cerca del Sol, colocamos las matrices hacia atrás hasta que solo queda expuesta una pequeña ala, y esa porción es suficiente para proporcionar la energía eléctrica necesaria ".

Enfriamiento de sonda Parker

Sin ningún sistema de refrigeración, los paneles solares montados en la sonda solar Parker se dañarían gravemente en su órbita más cercana a la luz directa del sol. Mantener los paneles fríos es un sistema de enfriamiento relativamente simple; un tanque calentado que evita que el refrigerante se congele durante el lanzamiento, dos radiadores para disipar el calor durante la órbita cercana, aletas de aluminio para maximizar la superficie de enfriamiento y bombas para hacer circular el refrigerante a través del sistema.

El agua se almacenará por separado en un recipiente calentado para evitar que se congele durante el lanzamiento. Una en órbita, el agua volverá a los sistemas de refrigeración donde empezará a circular.

En total, la sonda solo requerirá un poco menos de cuatro litros de agua desionizada para mantener los paneles solares frescos en todo momento. En funcionamiento, el agua estará expuesta a temperaturas que varían entre 10 C y 125 C, un rango más allá de lo que la mayoría de los líquidos son capaces de manejar con tanta eficacia como el agua.

Para evitar que el agua hierva a su máximo rango de 125 C, el sistema se presurizará para elevar el punto de ebullición más allá de 125 C.

“APL y nuestros socios de UTAS utilizaron parte de los fondos para la demostración de tecnología de la NASA para inspeccionar una variedad de refrigerantes”, dijo Lockwood. "Pero para el rango de temperatura que necesitábamos y para las limitaciones de masa, el agua era la solución".

Los sistemas de paneles solares ya han demostrado su competencia para soportar las temperaturas extremas esperadas en su viaje a través de la atmósfera exterior del sol.

Los paneles se probaron a principios de este año pasando una gran corriente a través de la matriz, calentándolos drásticamente para simular lo que sucedería si los paneles absorbieran y generaran demasiada energía.

Durante las pruebas, cada celda solar comenzó a brillar en rojo, lo que permitió a los científicos examinar cada celda solar individual en busca de posibles defectos. Afortunadamente, la matriz pasó las pruebas y se espera que sobreviva a una confrontación casi directa con el sol.

Control autónomo de la sonda solar Parker

En la Tierra, la luz viaja casi instantáneamente, lo que la convierte en una herramienta bastante conveniente para usar en comunicaciones y control. Los dispositivos controlados por radio actúan casi de inmediato una vez que se da una entrada a un controlador. Sin embargo, a unos pocos millones de kilómetros de distancia, la velocidad de la luz comienza a crear un gran problema.

La sonda solar Parker estará en gran parte sola durante la mayor parte de su viaje. En el otro lado del sol, además de una gigantesca bola de fusión que bloquea toda posibilidad de que pase una señal, cualquier comando dado a la sonda tardaría hasta 8 minutos en llegar a la nave espacial. Efectivamente, si los ingenieros debieran controlar manualmente la sonda, cada entrada tardaría 8 minutos antes de que se lea una señal. Lo que agrava el problema es el hecho de que, si la sonda va a transmitir información, también tardará 8 minutos en llegar a los ingenieros. En efecto, tomará 8 minutos para que se informe un problema y otros 8 minutos antes de que pueda corregirse manualmente. En una situación desesperada en un entorno tan hostil como el sol, esperar 16 minutos por cada comando no es una opción. Entonces, los ingenieros de la NASA decidieron automatizarlo todo.

Varios sensores de aproximadamente el mismo tamaño que un teléfono celular están montados alrededor del cuerpo de la nave espacial, así como a lo largo del borde del escudo térmico. Si algún detector detecta la luz solar directa, se envía una alerta a la computadora central de la nave espacial antes de que se realicen las correcciones posteriores para realinear la nave y mantener el resto de la sonda a salvo del calor del sol.

Todo esto tiene que suceder sin ninguna intervención humana, por lo que el software de la computadora central ha sido programado y probado exhaustivamente para asegurarse de que todas las correcciones se puedan hacer sobre la marcha ", dice la NASA.

Evitar que la sonda solar Parker se derrita en la atmósfera del sol es un desafío abrumador respaldado por una gran cantidad de tecnologías innovadoras para acercar a la humanidad a una estrella más que nunca. Si bien puede plantear más preguntas de las que responde, los científicos están entusiasmados con el viaje y el conocimiento que sin duda se obtendrá. Todavía queda un largo camino por recorrer, pero ciertamente hay luz al final del túnel, y la NASA planea capturarlo todo.


Ver el vídeo: Parker Solar Probe--Mission Overview (Julio 2022).


Comentarios:

  1. Dazilkree

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