Hogyan marad működőképes több millió Celsius-fokos környezetben a Parker napszonda?

2021 / 12 / 31 / Bobák Zsófia
Hogyan marad működőképes több millió Celsius-fokos környezetben a Parker napszonda?
A Nap koronájának rendkívül magas hőmérsékletét az alacsony részecskesűrűségű közeg nem közvetíti hatékonyan, többek között ez biztosítja a szonda túlélését. A Parker szonda működéséről, a napfizikai kutatásokkal és űridőjárással kapcsolatos jelentőségéről és egy lehetséges űrvihar hatásairól Erdélyi Róbert csillagásszal, a Magyar Napfizikai Alapítvány kuratóriumának elnökével beszélgettünk.

Minden eddiginél közelebb a Naphoz

Ahogy arról korábban beszámoltunk, a NASA Parker szondája (Parker Solar Probe) áprilisban minden eddiginél közelebb repült a Naphoz, és a mérések szerint sikerült átlépnie az Alfvén-felületnek nevezett határt, ahol már a mágneses erők határozzák meg a részecskék dinamikáját, vagy, ahogy a NASA közleményében is írják, itt ér véget a Nap légköre és kezdődik a napszél birodalma.

Ebben a kontextusban a légkör megfogalmazás némileg pontatlan, mivel, ahogy azt Erdélyi Róbert, a Sheffieldi Egyetem Napfizikai és Űrplazma Kutatóközpontjának vezetője, a Magyar Napfizikai Alapítvány kuratóriumának elnöke és az ELTE csillagászati professzora kérdésünkre elmondta, a Nap légköre valójában nem a korona határáig tart, maga a Föld is a Nap atmoszférájában kering, bár ahogy közelítünk a Naphoz a hőmérséklet természetesen egyre növekszik.

A Parker szonda nyolcadik repülése során elért, a Nap felszínétől (ami szintén nem egy jól körülhatárolható, szilárd felszínt jelent) 13 millió kilométeres távolságban lévő és a kilencedik repüléskor megközelített 10,5 millió kilométeres határ viszont így is a Naphoz legközelebb eső régió, amelyet valaha elért egy űreszköz, ezen a területen pedig rendkívül magas, akár több millió Celsius-fokos hőmérséklet uralkodik. Joggal merül fel a kérdés, hogy vajon hogyan képes egy szonda működőképes maradni ilyen extrém körülmények között, vagyis miért nem olvad el a Parker napszonda?

A magyarázatot egyrészt a szonda hőpajzsa adja meg, amelyről még szót ejtünk később, másrészt a hőátadás folyamatának működése, amely az űrbeli körülmények között, a részecskék nagyon alacsony sűrűsége miatt nem olyan hatékony, mint itt, a Földön.

"Valójában mit jelent az, hogy valami több millió Celsius-fokos?

Ha veszek egy vasat és felforrósítom nagyon nagy hőmérsékletre, fájna, ha megérintenénk. Ha viszont valamilyen gázt melegítek magas hőmérsékletre, és a gáz elég ritka, akkor azzal egy pohár teát sem lehetne felmelegíteni" - magyarázta Erdélyi Róbert. "Ez a helyzet a Nap légkörében is. Ha közel megyünk a Naphoz, ott hiába több millió fokos a hőmérséklet, olyan kicsi a sűrűsége a légkörnek, hogy hőkapacitása nem nagyon van."

Ennek ellenére ez a környezet is alkalmas arra, hogy az űreszközt felmelegítse vagy akár kárt is okozzon benne, mivel a csillagból kiáramló rendkívüli sebességgel haladó részecskék, amelyeknek egyenként nagyon nagy az individuális energiája, a szondát elérve interakcióba lépnek annak atomjaival és tönkre is tehetik. Ennek a napszélnek elnevezett folyamatnak az elméletét egyébként a szonda névadója, Eugen Newman Parker asztrofizikus dolgozta ki az ötvenes években, miután kiszámította, hogy csak úgy lehet a Nap felszíne stabil, ha folyamatosan áramlik ki belőle az anyag.

A szonda speciális védelme

Ez ellen véd a szonda hőpajzsa, amely így csak ezer Celsius-fok közeli hőmérsékletet kell, hogy kibírjon, és, bár még ez is magasnak számít, de léteznek olyan anyagok, amelyek kellően strapabíróak és alkalmasak a feladatra. A 2,4 méter átmérőjű, 115 milliméter vastag hőpajzs (Thermal Protection System, TPS), amelyet a Johns Hopkins APL tervezett meg, két széntartalmú réteg között elhelyezett szén-kompozit habból áll, kívülről, a Nap felőli oldalán pedig fehér kerámia bevonat védi a napsugaraktól. A tesztek során az árnyékoló 1650 Celsius-fokos hőmérsékletnek is ellenállt, így kellő védelmet nyújt az alatta található eszközök számára.

A szonda egyetlen berendezése, amelyet nem takar le az árnyékoló, az a Faraday-pohár, amely az ionok és elektronok áramlását detektálja: ezt az eszközt viszont olyan magas olvadáspontú anyagokból készítették, amelyek akár 2000-3000 Celsius-fokos hőmérsékletet is elviselnek. Az érzékelő titán-cirkónium-molibdén ötvözetből készült, 2349 Celsius-fokos olvadásponttal, az elektromos kábelek pedig nióbiumból állnak, amelyeket zafírkristály nanocsövek takarnak.

Ezenfelül a napelemes paneleket, amelyek a Nap közelében automatikusan behúzódnak az árnyékoló mögé, egy ioncserélt vízzel működő hűtőrendszer is hidegen tartja.

A Parker szonda áprilisi, nyolcadik repülésének nagy horderejét az adja, hogy most először sikerült elérni az Alfvén-felületet egy űreszközzel, de mi az esemény gyakorlati jelentősége, hogyan járulnak hozzá a Nap közvetlen közelében végzett megfigyelések a tudományos kutatásokhoz?

Az asztrofizika megoldatlan rejtélye

Erdélyi Róbert, aki nemzetközi kutatócsapatával a Nap fotoszférája és koronája közötti hőmérsékleti különbségek eredetét kutatja és két évvel ezelőtt áttörést ért el a plazmahullám-pulzusok észlelésével kapcsolatban, elmondta: a Parker műhold az eddiginél jóval több információt gyűjthet a mágneses térről és arról, hogy az milyen szerepet játszik a Nap légkörének melegítésében.

"A Nap felszíne "csak" öt-hat ezer Celsius-fokos, de ha bemegyünk a belsejébe, ott egyre melegebb lesz a fúziónak köszönhetően. Azonban a felszíntől távolodva is egyre növekszik a hőmérséklet, ami már kevésbé érthető jelenség."

- mondta a professzor - "Úgy kell elképzelni, mintha otthon a forró radiátortól vagy kályhától távolodva egyre melegebbet érzékelnénk: ez látszólag ellentmond a termodinamika törvényeinek, de mégis ehhez hasonló folyamat zajlik a Nap felszínén. Az öt-hatezer Celsius-fok a felszíntől távolodva növekszik, bizonyos régiókban akár a harmincmillió fokos hőmérsékletet is elérheti. Ez a jelenség alapvető kérdése és megoldatlan rejtélye az asztrofizikának, aki ezt megoldja, az nagyon nagy lépést tesz a tudomány területén."

A felfedezésnek nem csak az asztrofizikában, hanem a gyakorlati életben, az energiaellátás megreformálásában is nagy jelentősége lehet, mivel a földi mini-csillagok, vagyis a fúziós reaktorok is a Napban megfigyelhető folyamatok alapján működnek. "A fúziós reaktorokban hidrogénizotóp atomok ütköznének össze, fuzionálnának és héliumatomok keletkeznének belőlük, eközben pedig energia szabadulna fel, mivel a héliumatomok tömege kevesebb, mint az eredeti hidrogénatomok tömege és ez a tömegkülönbözet átalakul energiává." - mondta Erdélyi. A fúziós módszerrel tiszta energia állítható elő erősen környezetkímélő módon, a folyamat közben ugyanis nem keletkeznek káros anyagok, amelyek a környezetet szennyezik, ellentétben a fosszilis üzemanyagokat felhasználó energiatermelési módokkal. Körülbelül száz gramm csapvízből és két és fél gramm lítiumból egy európai háztartás teljes generációjának energiaigényét el lehetne látni a fúziós technológiával.

Ha tudnánk, hogy a csillagok pontosan hogyan fűtik fel a légköreiket ilyen hatalmas hőmérsékletekre, ahol a fúziót be lehet indítani, elleshetnénk tőlük a módszert és átültethetnénk a gyakorlati életbe - tette hozzá a professzor.

Űridőjárás, űrvihar

A csillagász a Magyar Napfizikai Alapítvány kuratóriumának elnökeként az űridőjárás megfigyelésében is érdekelt, mivel a gyulai önkormányzat segítségével felépített és az alapítvány által működtetett Gyulai Bay Zoltán Napfizikai Obszervatóriumban, amely jelenleg Magyarország egyetlen napfizikai obszervatóriuma, többek között a napkitöréseket monitorozzák, hogy a földi elektromos rendszerekre veszélyes geomágneses viharok megjelenését minél hamarabb észlelhessék. Míg az 1859. szeptember 1-jén bekövetkező Carrington-esemény, amelyet az egyik, feljegyzésekkel is alátámasztott legnagyobb geomágneses viharként tartanak számon, csak néhány távírókészüléket (és kezelőiket) tette tönkre, addig a mai, mindent elektromos rendszerekkel behálózó világban sokkal komolyabb károk keletkezhetnének egy hasonló intenzitású esemény alkalmával.

Az obszervatórium műszereinek segítségével azt próbálják megjósolni, hogy a következő hat-nyolc-tíz órában lehet-e számítani űrvihar kialakulására.

"Az űrviharok hatása a mai, technológiára épülő, földi civilizációra nézve nagyon nagy, ugyanis az űrvihar mikroáramokat gerjeszt, ezek a mikroáramok pedig kárt okoznak a chipekben, így a repülőktől kezdve a bankrendszerekig minden, ami chipekkel működik, gyakorlatilag tönkremehet."

- mondta a professzor - "Eddig szerencsénk volt, hogy egy nagyobb űrvihar nem találta el a Földet az utóbbi időkben, de ha a Carrington-fler ma alakulna ki, akkor a becslések szerint akár kettőtől tíz évig nem lenne áram a Földnek azon régiójában, ahol magasan fejlett technikai infrastruktúrára épülő berendezkedés van."

Ezért próbálják meg előrejelezni az űrviharok megjelenését a földi obszervatóriumok megfigyelései által, és ebben segíthet a Parker szonda is, mivel az általa közvetített információk közelebb viszik a kutatókat a koronaanyag-kidobódások kialakulásának megértéséhez.

Magyarországon jelenleg hiányzik a jól kiépített protokoll, amelyet egy napkitörés negatív hatásainak elkerülésére életbe lehetne léptetni, miután befut a figyelmeztetés a közelgő veszélyről, így a gyulai obszervatórium ilyen jellegű adatait egyelőre leginkább csak a Napfizikai Alapítvány munkatársai tudják hasznosítani, például ilyen esetekben kikapcsolják az elektromos eszközeiket. A értesítési rendszer kiépítésére nagy szükség lenne: Erdélyi Róbert elmondása szerint ha a Covid okozta károk és rizikófaktor egy skálán egy nagyságrendű besorolást kapnának, akkor az űrvihar által jelentett veszély nyolcvan nagyságrendű lenne. A jövőben, remélve, hogy a protokoll előbb-utóbb megszületik, még nagyobb jelentőséget kaphat az űridőjárás minél pontosabb monitorozása, és ebben is szerepet játszhat a Parker szonda tevékenysége.

A Parker szonda felfedezéseiről az elkövetkező időkben sokat hallhatunk még, mivel küldetése előreláthatólag egészen 2025-ig tart majd, a legutolsó repülése alkalmával nagyjából 6 millió kilométerre közelíti meg a Nap felszínét a tervek szerint. Az űridőjárással kapcsolatos megfigyelésekről pedig a Magyar Napfizikai Alapítvány által rendszeres megrendezett tudományos ismeretterjesztő előadásokon is szerezhetünk bővebb ismereteket, a rendezvények során a résztvevők távcsövekkel figyelhetik a Napot és a napfizikai kutatások rejtelmeibe is betekintést kaphatnak az érdeklődők.

(Fotó: Andrew Wang, NNASA/CXC/INAF/Argiroffi, C. et al./S. Wiessinger, ESA/Science Office, NASA)


A következő 25 év - mítoszok, jóslatok és a valóság
A következő 25 év - mítoszok, jóslatok és a valóság
Európa legnagyobb jövőfesztiválja, a Brain Bar idén is megnyitja kapuit. A rendezvény a 21. század első negyedének elteltével arra a kérdésre keresi a választ: hogy fest majd az emberiség következő 25 éve. A diákok és pedagógusok számára ingyenes eseménynek szeptember 18-19-én a Magyar Zene Háza ad otthont.
Az Űrodüsszeiában felcsendült az űr himnusza, most útnak indult, hogy négy év múlva elérje az Alpha Centaurit
Az Űrodüsszeiában felcsendült az űr himnusza, most útnak indult, hogy négy év múlva elérje az Alpha Centaurit
A közvetítést úgy oldották meg, hogy a jelek a Voyager 1 útját is keresztezzék.
Ezek is érdekelhetnek
HELLO, EZ ITT A
RAKÉTA
Kövess minket a Facebookon!
A jövő legizgalmasabb cikkeit találod nálunk!
Hírlevél feliratkozás

Ne maradj le a jövőről! Iratkozz fel a hírlevelünkre, és minden héten elküldjük neked a legfrissebb és legérdekesebb híreket a technológia és a tudomány világából.



This site is protected by reCAPTCHA and the Google Privacy Policy and Terms of Service apply.