Enquanto a espaçonave Parker Solar Probe da NASA começa seu primeiro encontro histórico com a coroa solar no final de 2018 - voando mais perto de nossa estrela do que qualquer outra missão na história - um sistema de resfriamento revolucionário manterá seus painéis solares com desempenho máximo, mesmo em condições extremamente hostis.

Cada instrumento e sistema a bordo da Parker Solar Probe (com exceção de quatro antenas e um detector de partículas especial) serão escondidos do sol por trás de um sistema de proteção térmica inovador, ou TPS - um escudo de 2,5 metros de diâmetro que a espaçonave usa para se defender contra o intenso calor e energia de nossa estrela.

Cada sistema será protegido, isso é, exceto para os dois painéis solares que alimentam a espaçonave. Quando a espaçonave está mais próxima do sol, as matrizes solares receberão 25 vezes mais energia solar que durante a órbita da Terra, e a temperatura no TPS chegará a mais de 2, 500 graus Fahrenheit. O sistema de resfriamento manterá as matrizes a uma temperatura nominal de 320 ° F (160 ° C) ou abaixo.

"Nossos painéis solares vão operar em um ambiente extremo em que outras missões nunca operaram antes, "disse Mary Kae Lockwood, o engenheiro de sistemas de espaçonaves da Parker Solar Probe no Laboratório de Física Aplicada da Johns Hopkins.

Novas inovações para sobreviver ao inferno

As bordas mais externas das matrizes solares são dobradas para cima, e quando a espaçonave está mais próxima do sol, essas pequenas lascas de matriz serão estendidas além da proteção do TPS, a fim de produzir energia suficiente para os sistemas da espaçonave.

O incrível calor de nossa estrela danificaria as matrizes de espaçonaves convencionais. Então, como muitos outros avanços tecnológicos criados especialmente para esta missão, um sistema de matriz solar resfriado ativamente foi desenvolvido pela APL, em parceria com a United Technologies Aerospace Systems, que fabricou o sistema de refrigeração, e SolAero Technologies, que produz os painéis solares.

"Isso é tudo novo, "Lockwood falou sobre as inovações relacionadas ao sistema de painéis solares resfriados ativamente." A NASA financiou um programa para a Parker Solar Probe que incluiu o desenvolvimento de tecnologia dos painéis solares e seu sistema de resfriamento. Trabalhamos em estreita colaboração com nossos parceiros na UTAS e SolAero para desenvolver esses novos recursos, e criamos um sistema muito eficaz. "

O sistema de resfriamento Parker Solar Probe tem vários componentes:um tanque acumulador aquecido que reterá a água durante o lançamento ("Se havia água no sistema, iria congelar, "Lockwood disse); bombas de duas velocidades; e quatro radiadores feitos de tubos de titânio e aletas de alumínio esportivas com apenas dois centésimos de polegada de espessura. o sistema de resfriamento é alimentado por painéis solares - os próprios painéis de que ele precisa para se manter resfriado e garantir sua operação. Na capacidade operacional nominal, o sistema fornece 6, 000 watts de capacidade de resfriamento - o suficiente para resfriar uma sala de estar de tamanho médio.

Surpreendentemente, o refrigerante usado nada mais é do que água pressurizada regular - cerca de cinco litros, desionizado para remover minerais que podem contaminar ou danificar o sistema. A análise mostrou que durante a missão, o refrigerante precisaria operar entre 50 ° F e 257 ° F - e poucos líquidos podem lidar com essas faixas como a água. "Parte do financiamento de demonstração de tecnologia da NASA foi usado pela APL e nossos parceiros na UTAS para pesquisar uma variedade de refrigerantes, "disse Lockwood." Mas para a faixa de temperatura que exigíamos, e para as restrições de massa, água foi a solução. "A água será pressurizada, que aumentará seu ponto de ebulição acima de 257 ° F.

Os painéis solares apresentam suas próprias inovações técnicas. "Aprendemos muito sobre o desempenho do painel solar com a espaçonave MESSENGER [construída pela APL], que foi o primeiro a estudar Mercúrio, "disse Lockwood." Em particular, aprendemos como projetar um painel que mitigaria a degradação da luz ultravioleta. "

A cobertura de vidro na parte superior das células fotovoltaicas é padrão, mas a forma como o calor é transferido das células para o substrato do painel, o cilindro, é único. Um suporte cerâmico especial foi criado e soldado na parte inferior de cada célula, e, em seguida, fixada ao cilindro com um adesivo termicamente condutor especialmente escolhido para permitir a melhor condução térmica para o sistema, ao mesmo tempo que fornece o isolamento elétrico necessário.

Do gelo ao fogo:lance desafios

Embora o extraordinário calor do sol seja o desafio mais intenso da espaçonave, os minutos imediatamente após o lançamento são, na verdade, uma das sequências iniciais de desempenho mais críticas da espaçonave.

Quando a Parker Solar Probe é lançada a bordo de um foguete ULA Delta IV Heavy da Estação da Força Aérea de Cabo Canaveral, na Flórida, no verão de 2018, o sistema de resfriamento sofrerá grandes variações de temperatura. "Há muito o que fazer para garantir que a água não congele, "disse Lockwood.

Primeiro, as temperaturas dos painéis solares e radiadores do sistema de resfriamento cairão da carenagem (cerca de 60 ° F) para temperaturas variando de –85 ° F a –220 ° F antes de poderem ser aquecidos pelo sol. O tanque de refrigerante pré-aquecido evitará que a água congele; os radiadores especialmente projetados - projetados para rejeitar o calor e as temperaturas intensas do sol - também sobreviverão a este frio intenso, graças a um novo processo de colagem e inovações de design.

Menos de 60 minutos depois, a espaçonave se separará do veículo de lançamento e começará a sequência pós-separação. Ele irá girar para apontar para o sol; os painéis solares serão liberados de suas travas de lançamento; as matrizes irão girar para apontar para o sol; uma válvula de bloqueio será aberta para liberar a água quente em dois dos quatro radiadores e painéis solares; a bomba liga; a espaçonave irá girar de volta para uma orientação de apontar nominal, aquecendo os dois radiadores mais frios e não ativados; e a energia dos painéis solares resfriados começará a recarregar a bateria.

Em outro primeiro, esta série complexa e crítica de tarefas será concluída de forma autônoma pela espaçonave, sem qualquer entrada do controle de missão.

A água para os dois radiadores não acionados permanecerá no tanque de armazenamento durante os primeiros 40 dias de vôo; depois disso, os dois radiadores finais serão ativados.

"Um dos maiores desafios em testar isso são as transições de muito frio para muito quente em um curto período de tempo, "Lockwood disse." Mas esses testes, e outros testes para mostrar como o sistema funciona quando está sob um TPS totalmente aquecido, correlacionado muito bem com nossos modelos. "

Graças a testes e modelagem, a equipe estudou os dados e aumentou a cobertura térmica nos dois primeiros radiadores a serem ativados, a fim de equilibrar a maximização de sua capacidade no final da missão, e reduzir ainda mais o risco de congelamento da água no início da missão.

Mantendo a calma, autonomamente

Quando a Parker Solar Probe está passando pelo sol a cerca de 450, 000 milhas por hora, serão 90 milhões de milhas dos controladores da missão na Terra - longe demais para a equipe "conduzir" a espaçonave. Isso significa que os ajustes de como a espaçonave está se protegendo com o TPS precisam ser feitos pelos sistemas de controle e orientação a bordo da Parker Solar Probe. Esses sistemas usam um software autônomo novo e eficaz para permitir que a espaçonave altere instantaneamente sua orientação para maximizar a proteção do sol. Esta capacidade autônoma é crítica para a operação dos painéis solares da espaçonave, que deve ser constantemente ajustado para um ângulo ideal conforme a Parker Solar Probe se lança contra o sol forte, corona superaquecida.

"Durante os encontros solares, mudanças muito pequenas no ângulo da asa do painel solar podem alterar enormemente a capacidade de resfriamento necessária. ”Lockwood disse que uma mudança de um grau no ângulo do painel de uma asa exigiria 35% a mais de capacidade de refrigeração.

O desafio constante é garantir que a espaçonave e os arranjos permaneçam frios.

"Não há como fazer esses ajustes a partir do solo, o que significa que tem que se orientar, "Lockwood disse." A APL desenvolveu uma variedade de sistemas, incluindo o controle do ângulo da asa, orientação e controle, sistema de energia elétrica, aviônica, gerenciamento de falhas, autonomia e software de voo - que são partes críticas do sistema de resfriamento de painéis solares. "

Lockwood acrescentou:"Esta espaçonave provavelmente é um dos sistemas mais autônomos já voados."

Essa autonomia, junto com o novo sistema de resfriamento e atualizações pioneiras de painéis solares, será crucial para garantir que a Parker Solar Probe possa realizar as investigações científicas nunca antes possíveis no Sol que responderão às perguntas que os cientistas têm sobre nossa estrela e sua coroa.