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    Voyage au soleil :pourquoi la sonde solaire Parker ne fondra-t-elle pas ?

    Illustration de Parker Solar Probe encerclant le Soleil. Crédit :NASA/JHUAPL

    Cet été, La sonde solaire Parker de la NASA sera lancée pour se rapprocher du Soleil, plus profondément dans l'atmosphère solaire, que n'importe quelle mission avant elle. Si la Terre était à une extrémité d'une mesure et le Soleil à l'autre, Parker Solar Probe arrivera à moins de quatre pouces de la surface solaire.

    Dans cette partie de l'atmosphère solaire, une région connue sous le nom de couronne, Parker Solar Probe fournira des observations sans précédent de ce qui motive le large éventail de particules, l'énergie et la chaleur qui traversent la région, projetant des particules vers l'extérieur dans le système solaire et bien au-delà de Neptune.

    À l'intérieur de la couronne, c'est aussi, bien sûr, incroyablement chaud. Le vaisseau spatial traversera des matériaux avec des températures supérieures à un million de degrés Fahrenheit tout en étant bombardé d'une lumière solaire intense.

    Donc, pourquoi ne fondra-t-il pas ?

    Parker Solar Probe a été conçu pour résister aux conditions extrêmes et aux fluctuations de température de la mission. La clé réside dans son bouclier thermique personnalisé et un système autonome qui aide à protéger la mission de l'émission lumineuse intense du Soleil, mais permet au matériau coronal de « toucher » le vaisseau spatial.

    La science derrière pourquoi il ne fondra pas

    Une clé pour comprendre ce qui assure la sécurité du vaisseau spatial et de ses instruments, consiste à comprendre le concept de chaleur en fonction de la température. Contre-intuitivement, des températures élevées ne se traduisent pas toujours par un véritable chauffage d'un autre objet.

    La sonde solaire Parker de la NASA se dirige vers le Soleil. Pourquoi le vaisseau spatial ne fondra-t-il pas ? L'ingénieur du système de protection thermique Betsy Congdon (Johns Hopkins APL) explique pourquoi Parker peut supporter la chaleur. Crédit :Goddard Space Flight Center de la NASA

    Dans l'espace, la température peut atteindre des milliers de degrés sans fournir de chaleur significative à un objet donné ou sans sensation de chaleur. Pourquoi? La température mesure la vitesse à laquelle les particules se déplacent, alors que la chaleur mesure la quantité totale d'énergie qu'ils transfèrent. Les particules peuvent se déplacer rapidement (température élevée), mais s'il y en a très peu, ils ne transféreront pas beaucoup d'énergie (faible chaleur). Comme l'espace est en grande partie vide, il y a très peu de particules qui peuvent transférer de l'énergie au vaisseau spatial.

    La couronne à travers laquelle la sonde solaire Parker vole, par exemple, a une température extrêmement élevée mais une densité très faible. Pensez à la différence entre mettre votre main dans un four chaud et la mettre dans une casserole d'eau bouillante (n'essayez pas ça à la maison !) - au four, votre main peut supporter des températures beaucoup plus chaudes plus longtemps que dans l'eau où elle doit interagir avec beaucoup plus de particules. De la même manière, par rapport à la surface visible du Soleil, la couronne est moins dense, ainsi le vaisseau spatial interagit avec moins de particules chaudes et ne reçoit pas autant de chaleur.

    Cela signifie que tandis que Parker Solar Probe voyagera dans un espace avec des températures de plusieurs millions de degrés, la surface du bouclier thermique qui fait face au Soleil ne sera chauffée qu'à environ 2, 500 degrés Fahrenheit (environ 1, 400 degrés Celsius).

    Le bouclier qui le protège

    Bien sûr, des milliers de degrés Fahrenheit est encore incroyablement chaud. (En comparaison, la lave des éruptions volcaniques peut être n'importe où entre 1, 300 et 2, 200 F (700 et 1, 200 C) Et pour résister à cette chaleur, Parker Solar Probe utilise un bouclier thermique connu sous le nom de système de protection thermique, ou TPS, qui mesure 8 pieds (2,4 mètres) de diamètre et 4,5 pouces (environ 115 mm) d'épaisseur. Ces quelques centimètres de protection signifient que juste de l'autre côté du bouclier, le corps du vaisseau spatial sera assis à une température confortable de 85 F (30 C).

    Le TPS a été conçu par le Johns Hopkins Applied Physics Laboratory, et a été construit à Carbon-Carbon Advanced Technologies, utilisant une mousse composite de carbone prise en sandwich entre deux plaques de carbone. Cette isolation légère sera accompagnée d'une touche finale de peinture céramique blanche sur la plaque face au soleil, pour réfléchir le plus de chaleur possible. Testé pour résister jusqu'à 3, 000 F (1, 650C), le TPS peut supporter n'importe quelle chaleur que le soleil peut envoyer, en gardant presque toute l'instrumentation en sécurité.

    Betsy Congdon du Johns Hopkins Applied Physics Lab est l'ingénieur thermique en chef du bouclier thermique que la sonde solaire Parker de la NASA utilisera pour se protéger du soleil. Le bouclier est si robuste, Congdon peut utiliser un chalumeau d'un côté et l'autre côté reste suffisamment froid pour être touché. Crédit :Goddard Space Flight Center de la NASA

    La coupe qui mesure le vent

    Mais tous les instruments Solar Parker Probe ne seront pas derrière le TPS.

    En passant par-dessus le bouclier thermique, la Solar Probe Cup est l'un des deux instruments de Parker Solar Probe qui ne seront pas protégés par le bouclier thermique. Cet instrument est ce qu'on appelle une tasse de Faraday, un capteur conçu pour mesurer les flux d'ions et d'électrons et les angles d'écoulement du vent solaire. En raison de l'intensité de l'atmosphère solaire, des technologies uniques ont dû être conçues pour s'assurer que non seulement l'instrument puisse survivre, mais aussi l'électronique à bord peut renvoyer des lectures précises.

    La tasse elle-même est faite de feuilles de Titane-Zirconium-Molybdène, un alliage de molybdène, avec un point de fusion d'environ 4, 260 F (2, 349 C). Les puces qui produisent un champ électrique pour la Solar Probe Cup sont en tungstène, un métal avec le point de fusion connu le plus élevé de 6, 192 F (3, 422 C). Normalement, des lasers sont utilisés pour graver les lignes de quadrillage dans ces puces, mais en raison du point de fusion élevé, de l'acide a dû être utilisé à la place.

    Un autre défi est venu sous la forme du câblage électronique - la plupart des câbles fondraient à la suite d'une exposition au rayonnement thermique à une si grande proximité du Soleil. Pour résoudre ce problème, l'équipe a fait pousser des tubes en cristal de saphir pour suspendre le câblage, et fait les fils de niobium.

    Pour s'assurer que l'instrument était prêt pour l'environnement difficile, les chercheurs devaient imiter le rayonnement thermique intense du Soleil dans un laboratoire. Pour créer un niveau de chaleur digne d'un test, les chercheurs ont utilisé un accélérateur de particules et des projecteurs IMAX—truqués par un jury pour augmenter leur température. Les projecteurs imitaient la chaleur du Soleil, tandis que l'accélérateur de particules exposait la coupelle à un rayonnement pour s'assurer que la coupelle pouvait mesurer les particules accélérées dans des conditions intenses. Pour être absolument sûr que la Solar Probe Cup résisterait à l'environnement difficile, le four solaire d'Odeillo, qui concentre la chaleur du soleil sur 10, 000 miroirs réglables - a été utilisé pour tester la tasse contre l'émission solaire intense.

    Le bouclier thermique de Parker Solar Probe est composé de deux panneaux de composite carbone-carbone surchauffé prenant en sandwich un noyau en mousse de carbone léger de 4,5 pouces d'épaisseur. Pour refléter autant que possible l'énergie du Soleil loin du vaisseau spatial, le côté exposé au soleil de l'écran thermique est également vaporisé d'un revêtement blanc spécialement formulé. Crédit :NASA/Johns Hopkins APL/Ed Whitman

    La Solar Probe Cup a réussi ses tests avec brio. il a continué à mieux fonctionner et à donner des résultats plus clairs au fur et à mesure qu'il était exposé aux environnements de test. "Nous pensons que le rayonnement a éliminé toute contamination potentielle, " Justin Kasper, chercheur principal pour les instruments SWEAP à l'Université du Michigan à Ann Arbor, mentionné. « Il s'est essentiellement nettoyé tout seul.

    Le vaisseau spatial qui garde son sang-froid

    Plusieurs autres conceptions sur le vaisseau spatial gardent Parker Solar Probe à l'abri de la chaleur. Sans protection, les panneaux solaires, qui utilisent l'énergie de l'étoile même à l'étude pour alimenter le vaisseau spatial, peuvent surchauffer. A chaque approche du Soleil, les panneaux solaires se rétractent derrière l'ombre du bouclier thermique, ne laissant qu'un petit segment exposé aux rayons intenses du Soleil.

    Mais si près du Soleil, encore plus de protection est nécessaire. Les panneaux solaires ont un système de refroidissement étonnamment simple :un réservoir chauffé qui empêche le liquide de refroidissement de geler pendant le lancement, deux radiateurs qui empêcheront le liquide de refroidissement de geler, ailettes en aluminium pour maximiser la surface de refroidissement, et des pompes pour faire circuler le liquide de refroidissement. Le système de refroidissement est suffisamment puissant pour refroidir un salon de taille moyenne, et gardera les panneaux solaires et l'instrumentation au frais et fonctionnera pendant la chaleur du soleil.

    Le liquide de refroidissement utilisé pour le système ? Environ un gallon (3,7 litres) d'eau déminéralisée. Bien qu'il existe de nombreux liquides de refroidissement chimiques, la plage de températures auxquelles le vaisseau spatial sera exposé varie entre 50 F (10 C) et 257 F (125 C). Très peu de liquides peuvent gérer ces gammes comme l'eau. Pour empêcher l'eau de bouillir aux températures les plus élevées, il sera pressurisé pour que le point d'ébullition soit supérieur à 257 F (125 C).

    Un autre problème avec la protection de tout vaisseau spatial est de savoir comment communiquer avec lui. Parker Solar Probe sera en grande partie seul dans son voyage. Il faut huit minutes à la lumière pour atteindre la Terre, ce qui signifie que si les ingénieurs devaient contrôler le vaisseau spatial depuis la Terre, au moment où quelque chose ne va pas, il serait trop tard pour le corriger.

    Dans l'usine de traitement d'Astrotech à Titusville, Floride, près du Kennedy Space Center de la NASA, mardi, 5 juin 2018, des techniciens et des ingénieurs effectuent des tests de barres lumineuses sur la sonde solaire Parker de la NASA. Le vaisseau spatial sera lancé sur une fusée United Launch Alliance Delta IV Heavy depuis le Space Launch Complex 37 de la base aérienne de Cap Canaveral en Floride. La mission effectuera les observations les plus proches d'une étoile lorsqu'elle voyagera dans l'atmosphère du Soleil, appelé la couronne. La sonde s'appuiera sur des mesures et des images pour révolutionner notre compréhension de la couronne et de la connexion Soleil-Terre. Crédit :NASA/Glenn Benson

    Donc, le vaisseau spatial est conçu pour se maintenir de manière autonome en sécurité et sur la bonne voie vers le Soleil. Plusieurs capteurs, environ la moitié de la taille d'un téléphone portable, sont attachés au corps de l'engin spatial le long du bord de l'ombre du bouclier thermique. Si l'un de ces capteurs détecte la lumière du soleil, ils alertent l'ordinateur central et l'engin spatial peut corriger sa position pour garder les capteurs, et le reste des instruments, protégé en toute sécurité. Tout cela doit se faire sans aucune intervention humaine, le logiciel de l'ordinateur central a donc été programmé et testé de manière approfondie pour s'assurer que toutes les corrections peuvent être effectuées à la volée.

    Lancement vers le Soleil

    Après le lancement, Parker Solar Probe détectera la position du Soleil, aligner le bouclier de protection thermique pour lui faire face et poursuivre sa route pendant les trois prochains mois, embrassant la chaleur du Soleil et se protégeant du vide froid de l'espace.

    Au cours des sept années de durée prévue de la mission, le vaisseau spatial fera 24 orbites de notre étoile. À chaque approche rapprochée du Soleil, il échantillonnera le vent solaire, étudier la couronne solaire, et fournir des observations rapprochées sans précédent autour de notre étoile - et armé de sa multitude de technologies innovantes, nous savons qu'il gardera son sang-froid tout le temps.


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