Termosas vakuume arba kodėl kosminiai aparatai neišsilydo ir neužšąla?
New Horizons erdvėlaivis įsukamas į daugiasluoksnę izoliaciją
Daugumai atrodo, kad kosmosas yra begalinis šaltis, todėl pagrindinis zondo darbas – nesušalti. Tačiau tikrovė inžinieriams kur kas sudėtingesnė. Kosminis aparatas vakuume veikia kaip idealus termosas: jis puikiai sulaiko šilumą, bet neturi kur jos išmesti. Žemėje prietaisus konvekciškai aušina oras, o kosmose nėra nė vienos molekulės, kuri galėtų perimti karštį nuo įkaitusio procesoriaus.
Kodėl erdvėlaiviai vilki „auksą“?
Pirmasis gynybos sluoksnis yra daugiasluoksnė izoliacija (Multilayer insulation – MLI), naudojama vakuume šilumos perdavimui sumažinti. Ji veikia reflektuodamas šiluminį spinduliavimą atgal, o ne sugerdama ją kaip tradicinė izoliacija.
Išorinis sluoksnis (Outer Cover) yra aliuminizuotas, atsparus radiacijai ir temperatūrų svyravimams, kaptonas, panašus į skaidrią plėvelę su gintaro atspalviu. Šviesos blokatorius (Light Block) – blokuoja šviesos spinduliavimą, virstantį į šilumą, ypač svarbus, jei erdvėlaivis bus bus saulės šviesoje. Metalizuoti atšvaitai (Metallized Reflectors) yra itin plonos (mikronų storio) plėvelės, padengtos aliuminio arba aukso sluoksniu, atspindinčios iki 99 % infraraudonųjų spindulių (šilumos). Tinklelis-tarpiklis (Netting Spacer) atskiria reflektoriaus sluoksnius vienas nuo kito ir sumažina kontaktinį šilumos perdavimą. Jų gali būti 15-20 sluoksnių ir tai yra MLI „širdis“.
Tinkliniai tarpikliai (Netting Spacers) – poliesteris ar kitas plastikas, įterpiamas tarp metalizuotų atšvaitų, užtikrinantis, kad metalizuoti sluoksniai nesiliestų vienas su kitu. Jei jie susiliestų, šiluma pradėtų keliauti laidumo būdu, ir izoliacija prarastų prasmę.
New Horizons daugiasluoksnė izoliacija
Tokia blizgia folija apsaugomi erdvėlaiviai. Ji veikia kaip veidrodis, atspindintis Saulės spinduliuotę. Prie Žemės Saulės spinduliuojama galia (Saulės konstanta) yra apie 1366 W/m2 – tai milžiniška energija, galinti akimirksniu perkaitinti aparatą. Būtent MLI neleidžia Saulės energijai prasiskverbti į erdvėlaivio vidų spinduliavimo būdu.
Šilumos pašalinimas
Kosminio tyriklio, erdvėlaivio ar teleskopo viduje esanti elektronika pati generuoja šilumą ir ją būtina pašalinti. Tam naudojami radiatoriai – specialios plokštės, nusuktos nuo Saulės į tamsiąją kosmoso erdvę.
Pagal Štefano ir Bolcmano dėsnį P = σ*S*T4 šiluma išmetama infraraudonųjų spindulių pavidalu. Norint išspinduliuoti daugiau galios (P), reikia arba didesnio radiatoriaus ploto (S), arba aukštesnės jo temperatūros (T).
Nuo L2 taško iki tarpžvaigždinės erdvės
Kosminių aparatų šiluminė inžinerija drastiškai skiriasi priklausomai nuo to, kur tiksliai orbituoja erdvėlaivis.
James Web kosminis teleskopas (James Webb Space Telescope – JWST) stebėjimus atlieka antrajame Lagranžo taške (L2), maždaug 1,5 mln. km atstumu nuo Žemės. Ši vieta leidžia teleskopui visada būti vienoje linijoje su Žeme ir Saule. JWST stebi itin silpną infraraudonąją šviesą, tad jis privalo būti neįtikėtinai šaltas (apie −233∘C). Jo teniso aikštyno dydžio penkių sluoksnių skydas blokuoja Saulės ir Žemės šilumą: vienoje pusėje kepina +85∘C, o kitoje – vyrauja gilus šaltis.
Jautriausiems instrumentams aušinti naudojama aktyvi sistema arba krio-šaldytuvas, veikianti panašiai kaip namų šaldytuvas, pasiekiant temperatūrą vos kelis laipsnius virš absoliutaus nulio.
„Voyager 1“ ir „Voyager 2“ jau paliko mūsų Saulės sistemą ir skrieja tarpžvaigždinėje erdvėje, daugiau nei 24 mlrd. km nuo Žemės. Čia Saulė tėra viena iš daugelio žvaigždžių, o aplinkos temperatūra artima absoliučiam nuliui ~273 K arba ~ -2730C. Tad „Voyager“ neturi saulės baterijų. Prie Marso jos gautų 2,25 karto mažiau energijos, o tarpžvaigždinėje erdvėje jos būtų bevertės. „Voyager“ naudoja radioizotopinius generatorius (RTG), kuriuose plutonio skilimo šiluma virsta elektra.
Senstant RTG, kuomet elektros generuojama mažiau, inžinieriai išjungia mokslinius prietaisus, kad likusios šilumos užtektų pagrindinei elektronikai „neužšalti“, ryšiui su Žeme išlaikyti bei perduoti duomenis.
Misija pragaran
„James Webb“ kelių sluoksnių apsauga išlaiko teleskopą šaltu, tai „Parker Solar Probe“ yra erdvėlaivis, sukurtas tiesioginiam Saulės palytėjimui. Tai pirmasis zondas, kuris tiesiogine prasme „paliečia“ Saulės atmosferą arba vainiką. Prie Žemės Saulė mus veikia 1366 W/m2 galia. Kuomet „Parker“ priartėja prie Saulės, jos spinduliuotės intensyvumas išauga 500 kartų ir 1366 W/m2 virsta 683000 W/m2.
„Parker Solar Probe“ šiluminio skydo pusė, atsukta į Saulę, padengta specialiai sukurta balta danga
Zondą saugo 11,5 cm storio šiluminis skydas, pagamintas iš anglies kompozito putų, įspraustų tarp dviejų anglies plokščių. Išorinė skydo pusė įkaista iki beveik +1370∘C ir šviečia baltai.
Nors skydas „kepa“, vos už kelių dešimčių centimetrų, zondo šešėlyje, prietaisai dirba malonioje +30∘C temperatūroje. Tai pasiekiama naudojant itin pažangią aktyvaus aušinimo sistemą su slėginiu vandeniu, nes jo puiki šiluminė talpa.
Balansavimas
Kosminio aparato projektavimas – tai subtilus balansas tarp energijos gavimo ir jos išsklaidymo. Nesvarbu, ar tai būtų asteroidus tirianti „Hera“, ar giliosios Visatos paslaptis naršantis „James Webb“, kiekvienoje misijoje yra fizikos dėsnis, įvilktas į aukštųjų technologijų „foliją“. Be efektyvios šilumos valdymo sistemos, brangiausi žmonijos kūriniai vakuume taptų arba sudegusiais procesoriais, arba sušalusio metalo luitais.