Что может выдержать температуру солнца
Из чего сделан зонд Parker, который сумел пройти сквозь атмосферу Солнца?
Никогда ранее искусственные объекты, созданные на Земле, не подлетали к Солнцу так близко. Зонд NASA оказался в верхних слоях гелиосферы — короны, примерно в 8,5 миллиона километрах от поверхности звезды. Строго говоря, границы солнечной короны неизвестны, но на том расстоянии, где оказался Parker, температура солнечной короны находится на уровне 2 миллионов градусов Цельсия. При этом на поверхности Солнца температура составляет 5700 градусов Цельсия. Почему так?
Гелиосфера Солнца связана с ее поверхностью гравитацией и магнитными полями, и сгустки солнечного вещества, восходящие от его поверхности по определенным невидимым каналам, создают взрывы, которые и разогревают верхнюю часть короны до феноменальных температур.
Зонд Parker во время этого рекордно близкого пролета изучил свойства частиц и замерил магнитное поле в этом разогретом слое гелиосферы. Также в задачи зонда входит изучение солнечного ветра и его зигзагообразные потоки. Американские ученые заявили, что Parker буквально «коснулся Солнца».
Причина, по которой американский аппарат до сих пор не сгорел в этих адских температурах, это то, что жар от него и температура — не одно и то же. Жар создается передачей энергии, вырабатываемой звездой. Когда внутри солнечной короны фиксируется температура в миллионы градусов, то частицы плазмы находятся на большом расстоянии друг от друга, и жар возле самого аппарата находится на допустимом уровне.
Путешествие к Солнцу: почему не будет плавиться солнечный зонд Паркер?
Этим летом NASA запустит новый солнечный зонд Паркер, который должен будет приблизиться к Солнцу так близко, как не делал еще ни один космический корабль до него. Если представить, что Земля и Солнце разнесены на метр, то зонд должен будет подлететь к нашей звезде на расстояние всего 4 сантиметра!
Это позволит ему проникнуть в ту часть солнечной атмосферы, которая известна как корона, что обеспечит беспрецедентные наблюдения за тем, что приводит в движение широкий спектр частиц, проходящих через этот регион, выбрасывая их наружу в Солнечную систему.
Внутри короны, конечно, невообразимо жарко. Космический корабль будет путешествовать через материал с температурой более миллиона градусов по Цельсию при постоянной бомбардировке интенсивным солнечным светом.
В итоге, почему же зонд банально не испарится в таких условиях? Паркер спроектирован так, чтобы выдерживать экстремальные условия и колебания температуры в течение всей миссии. Ключевым моментом является его специальный тепловой экран и автономная система, которая помогает защитить корабль от интенсивного светового излучения Солнца, но при этом позволяет корональному материалу «коснуться» зонда.
Одним из ключевых моментов для объяснения того, что сохраняет космический аппарат и его приборы в безопасности, является понимание концепции теплоты и температуры. Это кажется противоинтуитивным, но высокие температуры не всегда приводят к сильному нагреванию объекта.
В космосе температура может составлять тысячи градусов, при этом не передавая много тепла объекту и не делая его горячим. Как? Температура показывает, как быстро движутся частицы, а тепло измеряет общее количество энергии, которую они передают. Частицы могут двигаться быстро (высокая температура), но если их очень мало, они не будут передавать много энергии (мало тепла). Поскольку космическое пространство в основном пустое, существует очень мало частиц, которые могут передавать энергию космическому аппарату и тем самым нагреть его.
Корона, через которую полетит солнечный зонд Паркер, имеет чрезвычайно высокую температуру, но очень низкую плотность. Для примера — вы можете достаточно долго держать руку внутри горячей духовки, но ни секунды не удержите ее в кипятке (не пробуйте это делать), потому что в нем ваша рука соприкоснется с гораздо большим числом нагретых частиц. Аналогично, по сравнению с видимой поверхностью Солнца, корона менее плотная, поэтому космический аппарат взаимодействует с меньшим количеством горячих частиц и получает относительно немного тепла.
Поэтому, когда зонд будет путешествовать через пространство с температурой в несколько миллионов градусов, поверхность теплового экрана, которая обращена к Солнцу, будет нагреваться только до 1400 градусов по Цельсию, а такую температуру уже могут выдержать некоторые вещества, оставаясь при этом в твердой форме.
Конечно, тысяча градусов по Цельсию — все еще очень горячо. Для сравнения, лава при извержении вулканов имеет температуру от 700 до 1200 градусов. Чтобы выдерживать такой нагрев, зонд использует тепловой экран, названный Thermal Protection System, или TPS, который составляет 2.4 метра в диаметре около 115 мм в толщину. Лишь десяток сантиметров вещества позволяют сделать так, что на другой стороне экрана корпус космического корабля будет иметь температуру в комфортные 30 градусов.
Так выглядит TPS, который будет защищать зонд на протяжении всей миссии.
TPS был разработан Лабораторией прикладной физики Джона Хопкинса и построен в Carbon-Carbon Advanced Technologies. Сама конструкция представляет собой две углеродные пластины, между которыми залита композитная пена. Этот легкий щит дополняется керамическим напылением на стороне, которая будет обращена к Солнцу — это позволит отражать как можно больше тепла. При испытаниях было обнаружено, что он выдерживает до 1650 градусов, при этом сохраняя все приборы в безопасности.
Чаша, которая измерит солнечный ветер
Но не все приборы Паркера будут скрыты щитом. Высовываясь за теплозащитный экран, чаша солнечного зонда (Solar Probe Cup) является одним из двух инструментов, которые не защищены теплозащитным экраном. Этот прибор, известный как цилиндр Фарадея, является датчиком, предназначенным для измерения ионного и электронного потоков солнечного ветра. Из-за «враждебности» солнечной атмосферы необходимо было разработать уникальные технологии, чтобы удостовериться, что не только прибор может выжить, но и электроника на борту сможет получить от него данные.
Расположение цилиндра Фарадея (Faraday cup) на зонде, а также принцип его действия: по поглощенному току можно рассчитать интенсивность потока электронов.
Сама чаша изготовлена из листов титан-циркония-молибдена, сплава с температурой плавления около 2349 градусов Цельсия. Чипы, которые производят электрическое поле для работы этого датчика, изготавливаются из вольфрама — одного из самых тугоплавких металлов с температурой плавления в 3422 градуса. Обычно для вытравливания измерительной сетки на чаше используются лазеры, однако из-за высокой температуры плавления пришлось использовать вместо этого кислоту.
Другая проблема возникла при создании проводки — большинство кабелей расплавились бы от воздействия теплового излучения в такой непосредственной близости от Солнца. Чтобы решить эту проблему, команда вырастила сапфировые кристаллические трубки в качестве изоляции, а непосредственно провода сделали из ниобия.
Чтобы убедиться, что прибор готов к суровым условиям рядом с Солнцем, исследователям пришлось воспроизвести такое интенсивное тепловое излучение в лаборатории. Чтобы создать достаточный нагрев, экспериментаторы использовали ускоритель частиц и проекторы IMAX. Последние имитировали тепло Солнца, в то время как ускоритель бомбардировал чашу потоками частиц, чтобы убедиться, что детектор может регистрировать ускоренные частицы в таких жестких условиях.
Чтобы окончательно убедиться, что прибор выдержит околосолнечные условия, исследователи поместили его в специальную печь Odeillo, которая концентрирует солнечное тепло через 10 000 регулируемых зеркал. И Solar Probe Cup прошел все испытания с честью — более того, чем дольше он подвергался излучению и сильному нагреву, тем лучше он начинал работать. «Мы считаем, что радиация удалила любые потенциальные загрязнения», — говорит Джастин Каспер, главный исследователь приборов в Мичиганском университете в Анн-Арборе.
Так выглядит Odeillo — установка, позволяющая достичь солнечных температур в фокусе этой гигантской линзы.
Космический корабль, охлаждающий сам себя
Кроме шита есть еще несколько хитроумных решений, позволяющих зонду избежать перегрева. Так, без тепловой защиты солнечные панели, которые используются для обеспечения его энергией, могут перегреться. Поэтому при каждом приближении к Солнцу солнечные батареи будут отводиться в тень от теплового щита, оставляя лишь небольшой сегмент под горячими лучами Солнца.
Но при приближении к Солнцу потребуется еще больше защиты приборов от нагрева. Солнечные батареи имеют удивительно простую систему охлаждения: в теневой части будет находиться резервуар с хладагентом и множество алюминиевых радиаторов, а циркулировать жидкость будет благодаря насосам. Такая система охлаждения оказывается достаточно мощной, чтобы охлаждать средних размеров комнату, и будет держать солнечные батареи и приборы в приемлемых для работы условиях даже вблизи Солнца.
Что же играет роль хладагента? Галлон (около 4 литров) деионизированной воды. Хотя существует множество более эффективных химических хладагентов, диапазон температур, при которых космический аппарат сохраняет работоспособность, колеблется между 10 и 125 градусов по Цельсию — очень немногие жидкости могут существовать на всем диапазоне таких температур. Чтобы вода не кипела при 100 градусах, она будет находиться под давлением, поэтому температура кипения будет выше 125 градусов.
Еще одна проблема, возникающая при создании защиты для любого космического корабля — это выяснить, как с ним общаться, ведь толстый щит может мешать распространению радиоволн. Увы, но зонд будет в основном оставаться наедине с собой: для достижения Земли сигналу требуется около восьми минут, то есть если инженеры управляли бы им с Земли, то пока сигнал о неисправности дошел бы до нас, чинить было бы уже нечего.
Таким образом, космический корабль вынужден будет самостоятельно заботиться о собственной безопасности при полете к Солнцу и работе в непосредственной близости от него. Несколько датчиков, размером с небольшой сотовый телефон, прикреплены к корпусу зонда на краях тени от теплового экрана. Если какой-либо из этих датчиков обнаруживает солнечный свет, он предупреждают центральный компьютер, и космический аппарат исправляет свое положение, чтобы держать датчики и остальные инструменты в безопасной тени. Все это должно произойти без какого-либо вмешательства человека, поэтому центральный компьютер и ПО для него должны быть максимально тщательно протестированы, чтобы убедиться, что все корректировки могут быть сделаны «на лету».
Схема полета зонда Паркер к Солнцу.
После запуска зонд Паркер обнаружит положение Солнца, выровняет защитный экран и около трех месяцев будет лететь до нашей звезды, защищаясь от ее губительного излучения щитом.
В течение семи лет запланированного полета космический корабль сделает 24 оборота вокруг Солнца. При каждом приближении к светилу он будет исследовать солнечный ветер, изучать корону Солнца и собирать уникальные данные по атмосфере нашей звезды — и, будучи вооруженным множеством инновационных технологий, мы верим, что он сможет оставаться холодным все это время.
Что может выдержать температуру солнца?
Сколько градусов на солнце?
В ядре солнца гравитационное притяжение производит огромное давление и температуру, которая может достигать 15 млн градусов Цельсия.
Какой материал выдерживает самую большую температуру?
Так лакоткани на основе хлопка, шелка, капрона с пропиткой способны выдерживать температуры до 105 градусов и относятся к А группе. Их электрическая прочность варьирует в диапазоне от 12 до 35 кВ/мм. Похожей устойчивостью к нагреванию обладают диэлектрики масляно-битумные и эскапоновые.
Какой материал выдерживает 3000 градусов?
В Китае создан материал, выдерживающий температуру 3000 градусов В Поднебесной разработан инновационный термостойкий материл, который способен выдерживать температуру более 3000 ℃ в течение длительного времени. Он представляет собой комбинацию из керамики и тугоплавких металлов.
Сколько лет Солнцу и сколько осталось?
На данный момент светило прожило примерно половину своей жизни. Так утверждают ученые из института земного магнетизма. Полный срок жизни Солнца составляет 10 миллиардов лет. Так что, нам с вами беспокоиться не о чем.
Какой материал самый жаростойкий?
Самую высокую температуру точки плавления имеет композитный керамический материал HfC0. 98, который плавится при температуре 3959 градусов Цельсия, и этот материал является самым тугоплавким материалом на сегодняшний день.
Какой самый огнеупорный материал?
4200 градусов по Цельсию: российские учёные создали самый огнеупорный материал в мире Материаловеды МИСиС создали керамический материал карбонитрид гафния, способный выдерживать рекордную температуру 4200 °C.
Какой материал огнеупорный?
Огнеупорные материалы отличаются повышенной прочностью при высоких температурах, химической инертностью. По составу огнеупорные материалы это керамические смеси тугоплавких оксидов, силикатов, карбидов, нитридов, боридов. В качестве огнеупорного материала применяется углерод (кокс, графит).
Какую температуру должны выдерживать огнеупоры?
Что горит на солнце?
Энерговыделение Солнца обеспечивается не химическими, а термоядерными реакциями превращения водорода в гелий, которые протекают в его ядре. Однако это тоже высокотемпературный процесс, который поддерживается за счет выделяемого тепла. Поэтому о нем часто говорят как о горении, но в переносном, не строго научном смысле.
Почему снижается температура в пятнах?
Пятна на Солнце — это темные области, температура которых понижена примерно на 1500 К по сравнению с окружающими участками. Они обладают сильным магнитным полем, которое из-за подавления теплообмена плазмы снижает ее температуру.
Где образуются пятна и факелы на Солнце?
Космический аппарат впервые «прикоснулся» к Солнцу
Parker Solar Probe исследует солнечную активность в непосредственной близости от светила.
Иллюстрация NASA.
В 2018 году в космос был запущен космический аппарат NASA Parker Solar Probe, задача которого – исследовать казавшуюся неприступной атмосферу Солнца. Огненная корона нашего светила, казалось, сжигает всё на своём пути.
Через три года после запуска и спустя десятилетия после появления самой идеи отправить аппарат к Солнцу, «Паркер» наконец-то подобрался к светилу ближе, чем любой другой исследовательский аппарат.
Впервые в истории земной аппарат «коснулся» Солнца: аппарат НАСА пролетел через верхние слои атмосферы нашего светила — его корону — и проанализировал образцы вещества и магнитные поля в этой области.
Новая веха знаменует собой важный шаг для проекта Parker Solar Probe и гигантский скачок в изучении Солнца. Так же, как высадка на Луну позволила учёным понять, как образовалось это космическое тело, так прикосновение к самому веществу, из которого сделано Солнце, поможет учёным получить важную информацию о нашей звезде и её влиянии на Солнечную систему.
«Прикосновение к Солнцу с помощью зонда Parker Solar Probe – это монументальный момент для исследований Солнца и поистине выдающийся подвиг, – сообщает Томас Цурбухен (Thomas Zurbuchen), директор Управления научных миссий НАСА. – Эта веха не только даёт нам более глубокое понимание эволюции нашего Солнца и его влияния на Солнечную систему. Также и всё, что мы узнаём о нашей собственной звезде, даёт нам представление об огромном количестве звёзд в остальной Вселенной».
Поясним, что аппарат делает витки вокруг нашего светила, постепенно подлетая к нему всё ближе и ближе.
По мере приближения к солнечной поверхности «Паркер» позволяет учёным делать всё новые открытия. Другие космические аппараты не имели возможности предоставить астрономам столь важные и точные данные, так как они находились слишком далеко от светила.
Так, ранее зонд побывал внутри солнечного ветра — потока ионизированных частиц, выбрасываемых Солнцем, который может сильно влиять на жизнь на Земле.
В 2019 году «Паркер» обнаружил, что вблизи Солнца много магнитных зигзагообразных структур из солнечного ветра, называемых switchbacks. Но, как и где они образовались, оставалось загадкой для учёных.
С тех пор вдвое сократив расстояние до Солнца, солнечный зонд Parker прошёл достаточно близко, чтобы определить, по крайней мере, одно место, откуда они происходят: поверхность светила.
В отличие от Земли, у Солнца нет твёрдой поверхности. Но у него действительно есть перегретая атмосфера, состоящая из солнечного материала, привязанного к Солнцу гравитацией и магнитными полями. По мере роста температур и давления материал выбрасывается от Солнца. В определённой точке пространства гравитационные и магнитные поля становятся слишком слабыми, чтобы его удержать.
Эта точка, известная как критическая альфвеновская поверхность, знаменует конец солнечной атмосферы и начало солнечного ветра. Солнечный материал, обладающий достаточной энергией, чтобы пересечь эту границу, становится солнечным ветром, который, имея свой собственный заряд, увлекает за собой магнитное поле, двигаясь затем через всю Солнечную систему, к Земле и за её пределы.
До сих пор исследователи не знали, где именно находится критическая альфвеновская поверхность. Но, основываясь на изображениях короны, созданных с расстояния, исследователи рассчитали, что она находится в пределах от 10 до 20 солнечных радиусов (от 7 до 13,8 миллиона километров) от поверхности Солнца.
28 апреля 2021 года во время восьмого пролёта мимо Солнца приборы зонда Parker зафиксировали определённые магнитные условия и характеристики частиц, исходящих от Солнца, которые указали учёным на то, что аппарат пересёк критическую альфвеновскую поверхность и наконец впервые вошёл в солнечную атмосферу.
Это произошло на высоте 18,8 солнечных радиусов (около 13 миллионов километров) над поверхностью Солнца.
Во время пролёта Parker несколько раз входил в корону и выходил из неё. Это доказывает то, что предсказывали некоторые исследователи: критическая альфвеновская поверхность не имеет формы гладкого шара. Скорее, у неё есть «шипы и впадины», которые делают эту поверхность неровной.
В будущем определение мест, где эти выступы совпадают с солнечной активностью, исходящей от поверхности звезды, может помочь учёным узнать, как события на Солнце влияют на его атмосферу и солнечный ветер.
Добавим, что первый проход через корону, который длился всего несколько часов — один из многих, запланированных для миссии. «Паркер» продолжит свой полёт и в конечном итоге достигнет отметки 8,86 солнечного радиуса (6,1 миллиона километров) от поверхности светила.
Предстоящие облёты, следующее сближение призойдёт в январе 2022 года, вероятно, снова проведут Parker Solar Probe через корону.
Размер короны Солнца определяется солнечной активностью. По мере нарастания 11-летнего цикла активности Солнца внешний край короны будет расширяться, что даст солнечному зонду больше шансов пробыть внутри короны в течение более продолжительного времени.
«Это действительно важный регион, потому что мы думаем, что в нём потенциально могут быть задействованы все виды физики, – добавил ведущий автор исследования Джастин Каспер (Justin Kasper) из Мичиганского университета. – И теперь мы попадаем в эту область и, надеюсь, начнём наблюдать некоторые из этих физических свойств и проявлений».
Работа американских учёных с нынешними результатами исследования была опубликована в издании Physical Review Letters.
Ранее мы рассказывали о том, что учёным наконец удалось обнаружить на Солнце конвекционные потоки. Также мы писали о том, почему Солнце испускает потоки опаснейшей радиации, а ещё о том, как исследователи нашли следы солнечной активности в метеоритах, образовавшихся раньше нашей планеты.
Больше новостей из мира науки вы найдёте в разделе «Наука» на медиаплатформе «Смотрим».
Почему солнечная корона намного горячее поверхности Солнца? Рассказывают астрофизики
Температура внешней атмосферы Солнца, так называемой «солнечной короны» — более 2 млн градусов Цельсия, тогда как газовая поверхность звезды нагревается всего до 5 тыс. градусов Цельсия. Несмотря на это, в ядре Солнца температура может доходить и до 15 млн градусов. Астрофизики журнала «EurekAlert!» попытались объяснить этот феномен.
Читайте «Хайтек» в
11 августа 2018 года организация НАСА запустит один из своих амбициозных проектов — зонд Parker, который приблизится максимально близко к поверхности Солнца — 6,1 млн км, возможно, даже коснется его и не расплавится.
«Корона, через которую полетит Parker Solar Probe, имеет чрезвычайно высокую температуру, но очень низкую плотность», — объяснила инженер Сюзанна Дарлинг из НАСА.
Благодаря этому свойству теплозащитный экран, закрывающий Parker Solar Probe, будет нагреваться всего на 1 644 °C.
«Подумайте о различии между тем, как положить руку в горячую духовку или в кастрюлю с кипящей водой. В духовке ваша рука сможет выдержать гораздо более высокие температуры, поскольку там ниже плотность пространства. Аналогично этому происходит и на Солнце — корона менее плотная, поэтому космический аппарат взаимодействует с меньшим количеством частиц и не получает огромного количества тепла».
При этом человечество довольно мало знает о солнечной короне. Источниками для изучения становились только солнечные затмения, поскольку Луна блокировала самую яркую часть звезды — это позволило наблюдать за тусклой внешней атмосферой Солнца.
В 1869 году астрофизики во время полного солнечного затмения наблюдали зеленую спектральную линию. Поскольку различные элементы излучают свет на характерных для них длинах волн, ученые могут использовать спектрометры для анализа света и, соответственно, определения его состава. При этом зеленая линия, наблюдаемая с Земли в 1869 году, не соответствовала каким-либо известным элементам на Земле. Ученые тогда подумали, что обнаружили новый элемент, и назвали его корониумом.
Ученые предлагают затенить Солнце, чтобы спасти коралловые рифы
Только в середине XX века шведские физики поняли, что корониум на самом деле — не новый элемент, а железо, перегретое до такой степени, что было ионизировано 13 раз — у него осталась только половина электронов атома обычного железа. Такой процесс ионизации может случиться, только если корональные температуры составляют более 2 млн градусов по Цельсию — это в 200 раз больше, чем на поверхности.
За время открытия корональной атмосферы ученые со всего мира пытались понять ее поведение, но даже самые сложные модели и наблюдения со спутников в высоком разрешении лишь частично объясняют такое резкое нагревание. А многие теории противоречат друг другу.
Астрономы обнаружили 12 новых спутников Юпитера
Люди могут находиться только в экспансивной атмосфере Солнца, поэтому данные, которые ученые получают от анализа солнечной плазмы в околоземном пространстве, резко отличаются от информации о звезде, которую можно получить, находясь рядом с ним. За те 146 млн км, которые солнечный ветер добирается за четыре дня до Земли, он множество раз смешивается с другими частицами и теряет огромное количество своих определяющих черт.
При этом близко к короне спутник Parker будет соприкасаться только с идентичными горячими частицами. Спутник проверит две главные теории, которые объясняют корональное нагревание.
13 июля пройдет солнечное затмение суперлуной
Одна из теорий считает, что главной причиной экстремальных температур короны являются электромагнитные волны определенной частоты — волны Альвена — выходящие из глубины Солнца в корону и посылающие заряженные частицы, которые вращаются и нагревают атмосферу. Это немного похоже на то, как океанские волны ускоряют движение серферов к берегу, отмечают ученые.
Согласно другой теории, микроразрывы, называемые нанофларами, — слишком маленькие и быстрые для обнаружения, — могут нагревать корону. Эти теории пока невозможно доказать, поэтому данные со спутника НАСА могут значительно продвинуть солнечную астрофизику.