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Como a sonda solar Parker ‘tocou’ o sol sem derreter?

Um escudo térmico inovador, sensores avançados e um sistema de resfriamento eficiente ajudaram a Parker Solar Probe a se manter fria ao se aproximar de um dos ambientes mais hostis do sistema solar.

Em 28 de abril de 2021, a Parker Solar Probe da NASA se tornou a primeira espaçonave a ‘tocar’ o sol mergulhando nas profundezas da atmosfera solar. A NASA confirmou mais tarde, em 14 de dezembro de 2021, que a sonda havia se aproximado do sol e amostrado partículas e medido campos magnéticos no processo. O mundo inteiro recebeu a notícia com admiração e espanto.

No entanto, a excitação inicial e a admiração na mente de todos foram logo substituídas por uma pergunta curiosa; Como uma espaçonave conseguiu chegar perto do sol sem derreter sob sua temperatura extrema?

A Sonda Solar Parker

A NASA lançou a Parker Solar Probe em 12 de agosto de 2018, em um esforço para desvendar os segredos do sol. A missão visava estudar o sol, sua atmosfera e os ventos solares . Este esforço estelar foi revolucionário e único por muitas razões.

A sonda Solar Probe Plus mergulhará diretamente na atmosfera do sol

A Parker Solar Probe chegou a 11 milhões de km acima da superfície do sol (Crédito da foto: Wikimedia commons)

A Parker Solar Probe marca a primeira jornada da humanidade para uma estrela. Nenhuma outra espaçonave chegou tão perto do nosso sol, muito menos uma estrela de outro sistema solar! Com uma massa de 735 kg e apenas do tamanho de um carro pequeno, é uma das naves espaciais mais leves, mas também uma das mais poderosas da história da NASA.

A sonda também é o objeto feito pelo homem mais rápido de todos os tempos, com a capacidade de atingir uma velocidade de quase 692.000 km/h. Além disso, a Parker Solar Probe é a primeira espaçonave da NASA a receber o nome de uma pessoa viva – o astrofísico Dr. Eugene Parker , que em 1958 previu a existência de ventos solares.

Depois de inúmeras órbitas e várias aproximações, a sonda finalmente ‘tocou’ o sol, mas o que significa tocar o sol? Para descobrir isso, vamos primeiro dar uma olhada na estrutura do sol.

A trajetória da Sonda (Crédito da foto: Philipp Hienstorfer/Wikimedia commons)

O que significa ‘tocar o sol’?

É impossível pousar uma espaçonave na superfície do sol porque, ao contrário da maioria dos planetas, o sol não tem uma superfície sólida. Nosso sol é essencialmente uma esfera de gases superaquecidos e plasma mantidos juntos pela gravidade. O sol consiste em sete camadas; 3 camadas internas e 4 externas.

Estrutura interna solar

Camadas do Sol (Crédito da foto: Sakurambo/Wikimedia commons)

As camadas internas do sol consistem no núcleo, na zona radiativa e na zona de convecção. O núcleo é a casa de força do sol, onde sob imensa pressão e temperatura, a fusão nuclear abastece o sol. A zona radiativa , como o nome sugere, é a camada de onde emana a radiação do núcleo.

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zona de convecção é a região onde a radiação viaja para fora na forma de correntes de convecção. As correntes de convecção ocorrem quando os gases quentes sobem e os gases frios descem.

As camadas externas do sol são a fotosfera, a cromosfera, a região de transição e a coroa. A fotosfera é conhecida como a superfície do sol. Esta é a camada que “vemos” quando olhamos para o sol, e forma uma fronteira entre as camadas internas e a atmosfera solar.

A Coroa Solar

cromosfera , a camada de transição e a coroa formam a atmosfera solar. A coroa é a camada mais externa da atmosfera solar e é visível durante um eclipse solar. Esta camada parece pontiaguda e irregular, um pouco como uma coroa. Portanto, é nomeado após a palavra latina para coroa – Corona .

a coroa do sol

A coroa vista durante um eclipse solar (Crédito da foto: Wellcome Images/Wikimedia commons)

Entre essas camadas, a Parker Probe chegou à coroa solar. Então, quando dizemos que a sonda tocou o sol, o que queremos dizer é que ela voou para a coroa.

A coroa sempre foi um mistério para os cientistas porque é quase 300 vezes mais quente que a superfície do sol, apesar de ser muito menos densa. Os cientistas ficaram perplexos com essa anomalia de aquecimento da coroa e acreditam que a Parker Solar Probe pode fornecer algumas informações sobre a ciência por trás desse mistério.

Agora, vamos mergulhar na questão real… Como a sonda chegou tão longe sem derreter?

Por que a sonda não derrete?

A Parker Solar Probe é uma maravilha de engenharia e tecnologia. Ele fez uso de ciência avançada e tecnologia de ponta para sobreviver ao ambiente estelar mortal.

Calor vs Temperatura

O próprio sol é um dos fatores que mantém a sonda segura. Para entender isso, vamos esclarecer o que exatamente são calor e temperatura.

O calor define a energia total de um sistema (energia cinética + energia potencial). A temperatura, por outro lado, é uma medida da energia cinética média de um sistema – uma medida de quão rápido as partículas se movem.

Por exemplo, considere um palito de fósforo aceso e uma xícara de café quente. O palito de fósforo tem uma temperatura mais alta porque as partículas queimadas têm alta energia cinética, mas o café quente tem mais calor, pois há muito mais partículas em uma xícara de café, o que faz com que a energia total de todas as partículas seja muito maior do que a de um palito de fósforo. palito de fósforo.

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Para resumir, só porque algo tem uma alta temperatura não significa necessariamente que tem alta energia térmica. O calor transferido depende da quantidade e densidade de partículas no sistema.

É um caso semelhante com o sol. A coroa tem uma temperatura muito alta, pois as partículas têm alta energia cinética. No entanto, a coroa também tem baixa densidade, pois as partículas de alta temperatura se espalham por uma grande área. Assim, comparativamente, apenas algumas partículas do sol irão interagir com a sonda, o que reduz drasticamente o risco de danos causados ​​pelo calor.

Portanto, mesmo que a coroa tenha uma temperatura de 1 milhão de graus Celsius, ela apenas aquecerá a sonda a cerca de 1400 o C.

O escudo térmico

Assim como usamos um guarda-chuva para nos proteger do sol, a sonda faz uso de um escudo térmico avançado chamado Sistema de Proteção Térmica (TPS), que é um escudo de carbono de 2,5 metros de largura e 11,5 cm de espessura que protege a espaçonave do sol. Sol.

O escudo térmico é feito de um núcleo de espuma de carbono leve entre dois painéis de compósito de carbono-carbono superaquecido . A superfície do escudo voltada para o sol é adicionalmente pintada com um revestimento branco especial que reflete a maior parte da luz solar que incide sobre ele.

Escudo Térmico PSP1

Estrutura do escudo térmico

O compósito carbono-carbono consiste em fibras de carbono embutidas em uma matriz de carbono. Este é um dos melhores materiais para ser usado como escudo térmico devido ao seu peso leve, resistência a altas temperaturas e estabilidade estrutural. O núcleo de espuma é quase 97% de ar e atua como um bom isolante de calor. Assim, o TPS pode suportar temperaturas de até 1650 o C.

Este vídeo da NASA demonstra a eficiência do escudo térmico: https://youtu.be/BKinVmBoIrE

Dentro da coroa, o painel voltado para o sol pode aquecer até 1400 o C e ainda manter o painel traseiro em torno de 315 o C, enquanto a própria espaçonave existe a uma temperatura amena de 30 o C.

Os sensores solares

Como a maior parte da sonda está atrás do escudo térmico, mesmo um leve desalinhamento pode expor toda a espaçonave ao calor do sol. Nesse caso, é impossível controlar a orientação da sonda da terra, pois leva muito tempo. Em suma, lá fora, a sonda está por conta própria.

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Assim, a sonda possui um mecanismo embutido para detectar seu próprio alinhamento com o sol. Sete sensores solares são colocados ao longo das bordas da espaçonave. Quando qualquer um desses sensores detecta a luz do sol, eles avisam o computador central e a espaçonave realinha sua posição. Desta forma, os instrumentos permanecem protegidos do ambiente solar hostil.

A Copa da Sonda Solar

Embora a maior parte da espaçonave esteja escondida atrás do escudo térmico, existem algumas partes que se destacam bravamente e se expõem à radiação mortal do sol. Essas peças foram construídas especificamente para suportar todas as emissões de calor e partículas que sofreriam.

Uma das partes mais importantes da sonda é o Solar Probe Cup ou o Faraday Cup . Este copo está voltado diretamente para o sol, para coletar e detectar as partículas de alta energia que vêm em rajadas em direção a ele. O copo é feito de uma liga de molibdênio com ponto de fusão muito alto (2.349 o C) e suas redes elétricas são feitas de tungstênio, o metal com ponto de fusão mais alto (3.422 o C).

Além disso, para garantir que a fiação elétrica do instrumento não derreta, eles são feitos de nióbio e suspensos em tubos de cristal de safira.

O sistema de resfriamento de água

Obviamente, a melhor fonte de energia para alimentar uma espaçonave voando em direção ao sol é a própria energia solar ! No entanto, muita energia solar também pode ser uma desgraça. Uma imensa quantidade de luz solar pode superaquecer e danificar os painéis solares dentro da espaçonave. Para evitar isso, os painéis solares são projetados de forma a retrair e expor apenas uma parte de sua superfície à luz do sol durante as aproximações. Isso evitou a absorção excessiva de luz solar, enquanto ainda fornecia ampla energia para alimentar a espaçonave.

sonda solar

Os painéis solares são retráteis (Crédito da foto: NASA)

Os painéis solares também são resfriados usando um mecanismo de resfriamento simples. A espaçonave faz uso de um sistema de resfriamento de painéis solares refrigerado a água . A sonda usa cerca de 3,6 litros de água para resfriar os painéis solares. A água flui através de pequenos canais embutidos nos painéis solares e depois absorve o excesso de calor. A água quente flui então para quatro radiadores onde o calor é irradiado para o espaço. Isso mantém os painéis solares frios o suficiente para funcionar com eficiência.

É assim que a Parker Solar Probe mantém a calma, mesmo quando está indo direto para o sol!

Conclusão

A Parker Solar Probe é o resultado de décadas de pesquisa e desenvolvimento. O sucesso da missão é uma conquista monumental para a ciência e a humanidade. A missão foi projetada para ter 24 aproximações com o sol dentro de sua vida útil estimada de sete anos (2018-2025). Com seu sistema de resfriamento adequado, a sonda mergulhará em extensões inexploradas do sol e revelará novos mistérios do universo!

 
 

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