La NASA envía una nave al Sol: ¿Por qué no se derretirá?

Allí, en la región de la atmósfera solar llamada corona, la Parker Solar Probe llevará a cabo observaciones únicas de la amplia gama de partículas, energía y calor que el Sol expulsa hacia el interior del sistema solar, incluso hasta mucho más allá de Neptuno. Dentro de la corona, la nave deberá viajar a través de materiales que superan el medio millón de grados de temperatura, y recibir al mismo tiempo una intensísima radiación.

¿Por qué, entonces, no se quema?

La Parker Solar Probe ha sido pensada para resistir las condiciones extremas y las fluctuaciones de temperatura que encontrará a lo largo de su misión. La pieza clave es su escudo de calor , expresamente diseñado, y un sistema autónomo que ayuda a proteger los instrumentos de la emisión de luz intensa del Sol, pero permitiendo que el material coronal '"toque" la nave espacial.

Una de las claves para saber qué es lo que mantendrá a salvo a la nave espacial y sus instrumentos es entender el concepto de calor en función de la temperatura. Porque, en contra de lo que nos dice la intuición, las altas temperaturas no siempre calientan un objeto .

En el espacio, en efecto, la temperatura puede ser de varios miles de grados, y aún así no transmitir un excesivo calor a los objetos de alrededor. ¿Cómo es esto posible? Lo que realmente mide la temperatura es lo rápido que se mueven las partículas, mientras que el calor mide la cantidad total de energía que esas partículas transfieren. Las partículas, por lo tanto, pueden moverse rápidamente (alta temperatura), pero si hay muy pocas, no transferirán demasiada energía (poco calor). Y como el espacio está casi vacío, hay muy pocas partículas que puedan transferir energía a la nave espacial.

Por ejemplo, la corona solar, a través de la que la Parker Solar Probe deberá volar, tiene una temperatura extremadamente alta, pero una densidad de partículas muy baja. Pensemos, para entenderlo, en la diferencia que hay entre introducir la mano en un horno caliente o meterla dentro de una olla de agua hirviendo (¡no intente esto en casa!) .

En el horno, la mano puede soportar temperaturas mucho más altas y durante más tiempo que en el agua, donde tiene que interactuar con muchas más partículas. De forma similar, en comparación con la superficie visible del Sol, la corona es menos densa, por lo que la nave espacial interactúa con menos partículas calientes y no recibe tanto calor.

Lo cual significa que aunque la Parker Solar Probe esté viajando a través de un espacio con temperaturas de varios millones de grados, la superficie de su escudo térmico, siempre de cara al Sol, "solo" se calentará hasta unos 1.400 grados centígrados.

Por supuesto, 1.400 grados sigue siendo algo extremada caliente. Pensemos, por ejemplo, que la lava surge de los volcanes a entre 700 y 1.200 grados. Para soportar ese intenso calor, la Parker Solar Probe usará de un escudo térmico (llamado Sistema de Protección Térmica, o TPS), que tiene 2.4 metros de diámetro y un grosor de unos 12 cm. Esos pocos centímetros de protección serán suficientes para que, al otro lado del escudo, el cuerpo de la nave espacial no esté en ningún momento por encima de los 30 grados.

El Sistema de Protección Térmica fue diseñado en el Laboratorio de Física Aplicada de la Universidad John Hopkins, y fue construido utilizando una espuma compuesta de carbono intercalada entre dos placas, también de carbono. Este ligero aislamiento irá acompañado de un toque final de pintura cerámica blanca en la placa que da la cara al Sol, para reflejar la mayor cantidad de calor posible. El TPS ha sido testado a temperaturas de hasta 1.650 grados, y sus constructores aseguran que es capaz de vérselas con cualquier cantidad de calor que el Sol pueda enviar hacia la nave, manteniendo segura tanto la instrumentación como el resto de sus sistemas.

Pero no todos los instrumentos de la sonda estarán tras el escudo térmico. Por ejemplo el Solar Probe Cup, un sensor en forma de taza diseñado para medir los flujos de iones y electrones y los ángulos del flujo del viento solar, se encontrará fuera de la protección del TPS. Para diseñarlo, fue necesario desarrollar tecnologías totalmente nuevas y capaces de garantizar no solo la supervivencia del instrumento, sino también que la electrónica de a bordo fuera capaz de enviar a la Tierra lecturas precisas.

Por eso, el instrumento está hecho de láminas de una aleación de titanio-zirconio-molibdeno con el punto de fusión más alto conseguido hasta el momento, 3.422 grados.

Otro importante desafío fue el cableado electrónico: la mayoría de los cables se derretirían sin remedio al estar tan cerca del Sol. Pero no estos cables, hechos de niobio y que estarán "suspendidos" en el interior de una serie de tubos de cristal de zafiro.

Para estar totalmente seguros de que el Solar Probe Cup estaba realmente listo para soportar las difíciles condiciones que le esperan, los investigadores necesitaron replicar en laboratorio el calor y la radiación solar. Para ello utilizaron un acelerador de partículas y una serie de potentes proyectores. Mientras que los proyectores imitaban el calor del Sol, el acelerador de partículas exponía al Solar Probe Cup a una intensa radiación, para asegurarse de que incluso en esas condiciones el instrumento era capaz de llevar a cabo sus mediciones. Se llegó incluso a utilizar el Horno Solar Odeillo, que concentra el calor solar a través de 10.000 espejos ajustables, para probar que todo funcionaba como debía.

Un buen número de otros diseños contribuyen a mantener a la Parker Solar Probe a salvo del calor. Como por ejemplo el sistema replegable de los paneles solares destinados a obtener del propio Sol la energía necesaria para que toda la nave funcione. Para protegerse, en cada nueva aproximación solar los paneles se retraerán detrás de la sombra del escudo térmico, dejando solo un pequeño segmento expuesto directamente a los intensos rayos solares.

Pero estando tan cerca del Sol, ni siquiera esa protección es suficiente. Por eso, los paneles solares disponen de un sistema de enfriamiento tan simple como eficaz: un tanque calefactado que evita que el refrigerante se congele durante el lanzamiento, dos radiadores que evitarán que el refrigerante se congele, aletas de aluminio para maximizar la superficie de enfriamiento y bombas para hacer circular el refrigerante. El sistema de enfriamiento es lo suficientemente potente como para enfriar una sala de estar de tamaño medio, y mantendrá los paneles solares y la instrumentación fresca y funcionando durante toda la misión.

¿El refrigerante utilizado para el sistema? Aproximadamente 3.7 litros de agua desionizada. Aunque existen muchos refrigerantes químicos, el rango de temperaturas a las que estará expuesta la nave espacial variará entre los 10 y los 125 grados. Y muy pocos líquidos además del agua pueden manejar esos rangos. Para evitar que el agua hierva en el extremo más alto de las temperaturas, se presurizará, por lo que el punto de ebullición será superior a los125 grados.

Otro problema con la protección de cualquier nave espacial es descubrir cómo comunicarse con ella. Y la Parker Solar Probe estará prácticamente sola durante su viaje. La luz, en efecto, tarda ocho minutos en llegar a la Tierra, lo que significa que si los ingenieros tuvieran que controlar la nave espacial desde la Tierra, cuando algo saliera mal sería demasiado tarde para corregirla.

Por eso, la sonda está diseñada para mantenerse segura de forma autónoma a lo largo de su camino hacia el Sol. Varios sensores, aproximadamente de la mitad del tamaño que un teléfono móvil, están unidos al cuerpo de la nave espacial a lo largo del borde de la sombra del escudo térmico. Si alguno de esos sensores detectara la luz solar, alertaría a la computadora central y la nave espacial podría así corregir su posición para mantener los sensores y el resto de los instrumentos a salvo. Y todo sin intervención humana, por lo que el software central de la computadora ha sido programado y probado exhaustivamente para garantizar que todas las correcciones se realicen sobre la marcha.

Tras el lanzamiento, la Parker Solar Probe detectará la posición del Sol, alineará su escudo térmico para que de la cara hacia él y emprenderá un viaje de tres meses, enfrentándose sola tanto al frío del espacio como al creciente calor a medida que se aproxime al astro rey.

A lo largo de una misión de siete años de duración, la nave efectuará 24 órbitas alrededor de nuestra estrella. En cada una de sus aproximaciones, t omará muestras del viento solar, estudiará la corona y proporcionará observaciones a una distancia sin precedentes de Sol. Y todo ello manteniéndose fresca y operativa, a pesar del infierno a través del que tendrá que volar.