Solar orbiter se u Slunce pěkně zahřeje

Sonda Solar orbiter se má ke Slunci přiblížit víc, než jakákoliv evropská sonda před ní. Bude tedy vystavena extrémnímu horku, takže leckoho překvapí, že povrch této sondy je téměř celý černý. Sonda se ke Slunci přiblíží až na 0,28 astronomické jednotky, přičemž v této blízkosti dostane 13× více slunečního záření než u Země. Před žárem bude citlivé přístroje chránit speciální mnohovrstvý tepelný štít. Velkou výzvou pro inženýry bylo navržení štítu tak, aby měla jeho přední strana optimální termálně-optické vlastnosti – kolik záření se přímo odrazí zpět, kolik jej bude pohlceno a kolik bude vyzářeno ve formě infračerveného záření, tedy tepla?

Podle těchto parametrů bylo rozhodnuto, jaké maximální teploty může být dosaženo, což se dalo využít pro návrhy jednotlivých vrstev, jejichž úkolem je odvést nežádoucí teplo pryč a izolovat tělo samotné sondy. Povrch čelní vrstvy je silný pouze pět setin milimetru, tedy zhruba jako je průměr lidského vlasu. Tato vrstva, která dostane přímý zásah slunečních paprsků, je vyrobena z pevné, ale přitom lehké slitiny titanu. Počítalo se s tím, že povrch dostane ještě speciální vrstvičku, která zlepší odrazivost, pohlcování a vyzařování tohoto kovu, ale nakonec se ukázalo, že takový úkol je těžší, než se zdá.

Termální zkoušky sondy Solar orbiter provedené v prosinci 2018 v německém Ottobrunnu ukázaly odolnost sondy proti slunečnímu žáru. Infračervená kamera natočila záznam, který byl následně zrychlen. Ve vakuové komoře dosahoval maximální energetický tok úrovně 1800 W na metr čtvereční, takže teplota dosáhla maximálně 107,6 °C. Při další zkoušce se použily infračervené zářiče, které povrch ohřály na 520 °C, což je teplota zhruba očekávaná při skutečné misi.

Termální zkoušky sondy Solar orbiter provedené v prosinci 2018 v německém Ottobrunnu ukázaly odolnost sondy proti slunečnímu žáru. Infračervená kamera natočila záznam, který byl následně zrychlen. Ve vakuové komoře dosahoval maximální energetický tok úrovně 1800 W na metr čtvereční, takže teplota dosáhla maximálně 107,6 °C. Při další zkoušce se použily infračervené zářiče, které povrch ohřály na 520 °C, což je teplota zhruba očekávaná při skutečné misi.
Zdroj: https://www.esa.int/

Měli jsme tři hlavní požadavky na povrch tepelného štítu,“ vzpomíná Andrew Norman, materiálový inženýr z ESA a dodává: „V první řadě je potřeba, aby si udržel stejnou barvu i po několika letech vystavení intenzivnímu toku slunečního záření, které obsahuje i ultrafialové záření. Nám by se hrozně líbil bílý povrch, který by odrážel mnohem více záření, ale zkoušky ukázaly, že postupem času by neakceptovatelně tmavnul. Proto jsme sáhli po černé barvě, která si své vlastnosti udrží po celou dobu mise. V řadě druhé musela být vrstva elektricky vodivá, abychom zabránili hromadění statického náboje z interakce se slunečním větrem, což by mohlo při výboji poškodit sondu. A na závěr nesmí z vrstvy unikat žádné plyny, nebo částice, které by mohly ohrozit citlivé čočky zrcadla a další části přístrojů.

Vizualizace sondy Solar orbiter.

Vizualizace sondy Solar orbiter.
Zdroj: https://www.esa.int/

Kombinace těchto požadavků přidělala inženýrům pár vrásek na čelech. Existující nátěry či potahy buďto nedokázaly odolat slunečnímu žáru a záření, nebo nebyly v požadovaném teplotním rozmezí vodivé. A když došlo na vibrační zkoušky, uvolňovalo se z nich mnoho částic. „Nakonec jsme stáli před možností použít holý, ničím nepotažený titan,“ říká Claudio Damasio, inženýr ESA zodpovědný za termální vlastnosti a dodává: „Jenže to by vedlo k teplotám kolem 700 °C v přední části štítu. Kvůli tomu by byla potřeba hmotnější struktura štítu s ještě více izolačními vrstvami. Bylo jasné, že potřebujeme jiné řešení a díky irské firmě Enbio jsme jej našli.

Ředitel firmy Enbio, John O’Donoghue, vůbec nemyslel na kosmické využití, když začal rozvíjet techniku povrchového ošetření, kterou využívala jeho společnost. Studoval způsoby, jak pokrýt titanové lékařské implantáty umělou kostí, aby urychlil jejich spojení s pacientovou kostrou. „Skutečný heuréka moment přišel, když jsem studoval biomedicínské inženýrství,“ vzpomíná John O’Donoghue a pokračuje: „Metoda spočívala v pískování titanového povrchu pacemakerů a defibrilátorů, aby nadané místo lépe přilnuly elektrické spoje. Pískování, tedy ostřelování povrchu drobnými abrazivními částicemi, bylo vždycky takovou Popelkou, ale mne zaujalo. Kolem roku 2005 jsem tedy přišel s procesem Co-Blast.

Vizualizace metody Co-Blast.

Vizualizace metody Co-Blast.
Zdroj: https://www.esa.int/

Tato metoda funguje na reaktivní kovy jako je titan, hliník či nerezová ocel, které vytváří ochrannou vrstvičku oxidů. Pískování tuto vrstvičku odstraňuje, ale současně s abrazivními částicemi na povrch dopadají i i další částice, které mají za úkol k povrchu přilnout. Tato přidaná vrstvička na povrchu kovu okamžitě nahradí oxid, který byl těsně předtím odpískován. „Velkou výhodou je, že nový materiál je chemicky spojen s podložní vrstvou. V podstatě se stane její součástí, protože má tloušťku jen pár tisícin milimetru,“ popisuje O’Donoghue a dodává: „První aplikace, na kterou jsem pomyslel, bylo ošetření povrchu kolenních a kyčelních implantátů umělou kostí. Průmyslové standardy pro tento postup vyžadují vysokoteplotní nanášení plazmatu, které může poškodit kost, takže ji tělo nemusí tak dobře přijmout. Co-Blasting naopak probíhá za pokojové teploty.

Ředitelství ESA pro technologie, inženýrství a kvalitu si nového procesu všimlo a zaznamenalo jeho potenciál. „Z historie jsme věděli, že je náročné pokrýt materiály nějakou vrstvičkou  a titan (i když jde o standardní materiál pro použití v kosmickém prostoru) s sebou nese mimořádné komplikace,“ říká materiálový specialista Laurent Pampaguian. ESA se s firmou Enbio spojila a v rámci Programu pro podporu technologií společnost dodala testovací černý povrch. Analýza ukázala nadějné výsledky a především se brzy ukázalo, že by tato metoda šla použít i pro Solar orbiter.

Mikroskopický snímek implantátu, který byl pokryt umělopu kostí (hydroxyapatitem) metodou Co-Blast.

Mikroskopický snímek implantátu, který byl pokryt umělou kostí (hydroxyapatitem) metodou Co-Blast.
Zdroj: https://www.esa.int/

Prošli jsme mnoho černých pigmentů – ať už to byl grafit, karbid křemíku nebo pyrolytický uhlík. Ale pak Johna napadlo, že když dříve tak dobře fungovala umělá kost, možná bychom mohli vyzkoušet další kostěný produkt,“ vzpomíná Barry Twomey, technologický šéf firmy Enbio. „Vzpomněl jsem si, že jeskynní lidé používali spálené kosti a dřevěné uhlí k vytváření jeskynních maleb, které přetrvaly dodnes. Objevili jsme americkou firmu Ebonex, která vyrábí pigment ze spálených kostí. Konkrétně spalují kosti při  malé koncentraci kyslíku a pak je rozdrtí. Ukázalo se, že tento pigment již dříve v kosmickém projektu využila NASA,“ říká John O’Donoghue.

Když materiál prošel všemi testy, mohla se materiálová laboratoř pustit do nového materiálu naplno. Zkoušela se odolnost vůči slunečnímu záření i ultrafialovým paprskům, testovalo se chování při vibracích. Na materiál byla dokonce nalepena lepící páska, a následně došlo k jejímu strhnutí. Výsledky byly jednoznačné – materiál Solar Black byl schválen jako optimální pro čelní vrstvu tepelného štítu Solar orbiteru, ale jeho možnosti jsou mnohem širší. „Solar Black si vedl tak dobře, že byl přidán k dalším dílům, povrchům a fóliím,“ doplňuje Barry Twomey a dodává: „Když se podíváte na první snímky sondy, tak byla bílá, černé byly jen radiátory. Pak se to celé během vývoje úplně obrátilo.

Mikroskopický pohled na vrstvičku Solar Black - ta je silná pouze několik tisícin milimetru.

Mikroskopický pohled na vrstvičku Solar Black – ta je silná pouze několik tisícin milimetru.
Zdroj: https://www.esa.int/

Dokonce i přístroje využily Solar Black – jeho vrstvička pokrývá beryliový rentgenový filtr používaný v přístroji STIX (Spectrometer/Telescope for Imaging X-rays), který hledí přímo na Slunce. ESA společně s Airbusem zafinancovaly vyhrazené středisko firmy Enbio (Enbio Space Technologies Centre) ve městě Clonmel (hrabství Tipperary), kde byly tyto povrchy novou metodou ošetřeny. „Rozměrné díly jako je třeba vysokozisková anténa byly moc velké na to, abychom je pokryli v našich dřívějších prostorách v Dublinu. teď když máme vyhrazené pracoviště, můžeme formálně kvalifikovat proces Co-Blast pro kosmické aplikace. To znamená, že jsme splnili rigorózní požadavky na kvalitu.“

U Solar Orbiteru se původně počítalo s bílým povrchem Solar White, který měla zajistit firma ve spolupráci s univerzitou v Dublinu. Tento povrch se měl použít na mnoha místech – od radiátorových panelů pro odvod tepla, okraje fotovoltaických panelů až po přístrojové rameno.

Solar White

Solar White
Zdroj: https://www.esa.int/

Nebyli jsme schopni nanést bílý pigment na vrstvičku oxidů, které kryjí povrch kovu,“ říká Barry Twomey a doplňuje: „Proto jsme použili Solar Black jako základovou vrstvu, na kterou už bílý křemíkový povrch dobře přilnul. Jako malá firma jsme hodně flexibilní. Když ESA objevila v první verzi Solar White problém – vrstva nebyla dostatečně vodivá – rychle jsme dokázali upravit proces výroby. Následně jsme začali spolupracovat s britskou firmou Diamond Coatings, která se postarala o to, že vodivá vrstva překonala požadavky.

Ukázka odolnosti titanové fólie pokryté vrstvičkou Solar Black.

Ukázka odolnosti titanové fólie pokryté vrstvičkou Solar Black.
Zdroj: https://www.esa.int/

John O’Donoghue odhaduje, že zhruba 80% povrchu sondy je nakonec pokryto buďto vrstvičkou Solar Black nebo Solar White: „Jsme na náš podíl na této misi opravdu hrdí a těšíme se na start. mezitím se naše firma stále věnuje kosmickému sektoru. Dokončujeme projekt v rámci programu European Commission Horizon 2020 na přidávání polymerů na kovové povrchy, hledáme cesty, jak zlepšit přilnutí bez použití toxických chemikálií. Byli jsme moc malá firma na tak velký projekt. ESA byla naším prvním a skvělým zákazníkem. Nabídla nám vysokou úroveň důvěry, pomoci a podpory. Je skvělé vidět, že je již vše připraveno ke startu.

Přeloženo z:
https://www.esa.int/

Zdroje obrázků:
https://www.esa.int/…/Black_heat_shield.jpg
https://www.esa.int/…/Solar_Orbiter_thermal_testing.gif
https://www.esa.int/…/Solar_Orbiter.jpg
https://www.esa.int/…/Coating_process.jpg
https://www.esa.int/…/Solar_Black_coating.jpg
https://www.esa.int/…/ENBIO_SolarWhite_coating.jpg
https://www.esa.int/…/Heatshield_coating.jpg

Kontaktujte autora článku - hlášení chyb a nepřesností, rady, či připomínky

Hlášení chyb a nepřesnostíClose

Prosím čekejte...
Níže můžete zanechat svůj komentář.

10 komentářů ke článku “Solar orbiter se u Slunce pěkně zahřeje”

  1. tonda napsal:

    Zajímalo by mě,proč nepoužili stejné materiály ze sondy PSP,je to asi now hou ale tohle je společná sonda takže si mohli ušetřit čas a peníze

    • Spytihněv napsal:

      Také bych byl pro sdílení technologií kde se dá (tedy ne s každým, ale mezi ESA a NASA by to bylo v pohodě). Navíc by štít podle PSP mohl být o něco méně účinný než u americké sondy. Na druhou stranu vlastní vývoj objevuje nové možnosti, jak je popsáno v článku, což je určitě pozitivní.

  2. JanHonnza napsal:

    Pane Majere, super článek, velmi zajímavé, díky.

  3. David R. napsal:

    Díky za perfektní článek. Jen jedna věc tu chybí, ale to bohužel platí i pro zdrojový článek, a není možné to zjistit ani z jiných článků na www.
    Není totiž jasné, proč konstruktéři nepoužili zlatou folii. Zlato má odrazivost 98% a odráží ze všech kovů nejlépe i infračervené záření, tvořící 52% slunečního záření. Nebylo by pak nutné pracovat s teplotami nad 500°C.
    Vím, že ta „obyčejná“ zlatá folie je mnohovrstvá a obsahuje plasty, tj. musela by se nějak modifikovat. Jenže takto vzniklo technické řešení, které už nebude použitelné pro další sondy, pokud by se měly více přiblížit ke Slunci. A vysvětlení není nikde.

    • Dušan Majer napsal:

      Díky za pochvalu i za zajímavý postřeh. Bohužel odpověď neznám, ale možná sem napíše někdo, kdo má lepší informace.

    • Jiny Honza napsal:

      Na štít potřebujete materiál, který dobře odráží sluneční záření ve viditelném a blízkém infračerveném spektru. A aby se co nejvíc chladil, musí taky velmi dobře vyzařovat tepelné záření s vlnovou délkou odpovídající jeho teplotě, tedy cca nad 2 um. Zlato ale naopak delší vlnové délky velmi dobře odráží (nevyzařuje). Vlastně ještě odráží ještě lépe než ty kratší. Ten štít se zlatem by asi byl spíš teplejší.

      • David R. napsal:

        Máte pravdu, že štít se zlatem nevyzáří prakticky žádné teplo, protože má nízkou emisivitu, a sám o sobě bez chlazení by se zahřál. Nicméně to řeší radiátory na zastíněné straně sondy. Ty musí odvést teplo z přístrojů, plus to, které pronikne štítem, ať už zlaceným, nebo titanovým.
        A když budete blíž ablíž Slunci, černý štít bude čím dál tím teplejší, až to narazí na technologické limity a blíž už to s ním prostě nepůjde. Zlatý bude třeba intenzivněji chladit, ale stále to budou jen cca dvě procenta dopadající energie.
        Ale pak je tu třetí varianta – štít, který je odrazivý pro veškerou solární radiaci (IR od cca 2000 nm, viditelnou, UV) ale dobře se zbavuje tepla (emisivita v oblasti kolem 5000 nm se blíží 1). Takový štít pak zůstane chladný sám o sobě! Typickým příkladem je světlý eloxovaný hliník. Bohužel nemá dostatečnou UV odolnost, aby mohl být vystaven takové intenzitě. Na zemi jakž takž, ale ve vesmíru je mnohem tvrdší UV (A+B+C) a to celé v našem případě krát 13.
        Jenže pro větší přiblížení ke Slunci se takové štíty budou muset vyvinout tak či tak. Nejde tu jen o výzkum Slunce, ale také o možnost urychlovat sondy do hlubšího vesmíru blízkým průletem kolem Slunce (Oberthův manévr) a tím dosáhnout o řád většího zrychlení. A z tohoto pohledu, přes černý štít cesta nevede.

  4. racek napsal:

    Kam kráčí technologie díky výzkumu vesmíru … je fascinující. Pěkné počtení i pro mé značně zastaralé technologické znalosti. Díky.

Zanechte komentář

Chcete-li přidat komentář, musíte se přihlásit.