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)


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.