Sonda, która poleciała do piekła. Cel: wspomóc ludzkość

Przejmujemy się zmianami klimatycznymi na Ziemi, zawirowaniami gospodarczymi, konfliktami militarnymi, społecznymi. To jednak sprawy, na które możemy mieć wpływ i które dzieją się stosunkowo blisko nas. Tymczasem w średniej odległości 150 mln km od Ziemi znajduje się ciało niebieskie, którego istnienie nie tylko umożliwiło istnienie naszej cywilizacji, ale może też kształtować jej losy w skali globalnej i długiej perspektywie czasowej. Słońce to najlepiej poznana gwiazda w kosmosie, a jednocześnie na tyle mało, by wciąż wysyłać ku niemu misje kosmiczne.

Człowiek powoli zaczyna się szykować do opuszczenia swojego siedliska, jakim jest Ziemia. Gdy ruszy w kosmos, ochrona przed oddziaływaniem promieniowania i wiatru słonecznego, wyrzucaną przez naszą gwiazdę plazmą, stanie się kluczowym wyzwaniem astronautyki.

Ale i na Ziemi będziemy musieli się pilnować - już dziś na orbicie są tysiące satelitów, a ziemska infrastruktura energetyczna czy telekomunikacyjna jest podatna na aktywność słoneczną. By przewidywać, kiedy Słońce "uderzy", nawet jeśli to będzie tylko delikatne "uderzenie", musimy dysponować jak najlepszą wiedzą o tym, jak ono działa. I po to powstała sonda Parker Solar Probe, która 24 grudnia 2024 r. znalazła się bardzo blisko Słońca.

Dalsza część artykułu pod materiałem wideo

By wyobrazić sobie wagę sukcesu astronomów, pomyślmy, że światło słoneczne dociera do Ziemi po ośmiu minutach. Wiatr słoneczny propaguje się znacznie wolniej, ale wyrzucona materia też dociera do nas całkiem szybko, bo w ciągu kilkunastu godzin do kilku dni. Rekordową odległość zbliżenia 6,1 miliona kilometrów fotony pokonują w niespełna 21 sekund. Cała fizyka rozprzestrzeniania się materii i energii słonecznej nie jest co prawda tak prosta jak linia, ale powyższe porównanie pokazuje jak niezwykłą szansę badania Słońca i tego, co tam się dzieje, otrzymali po raz pierwszy heliofizycy.

Obecnie wiemy, że sonda przetrwała maksymalne zbliżenie i kontynuuje misję. Dane telemetryczne będą przesłane dopiero w Nowy Rok (1 stycznia 2025 r.), ale to nie koniec. Naukowcy jeszcze wiele tygodni, a nawet dłużej, będą analizowali obserwacje, zanim opublikują pierwsze wnioski. Wcześniejsze odkrycia sugerują, że będą one znowu przełomowe dla naszej wiedzy o Słońcu.

Początkowo astronomowie liczyli, że sonda Parker Solar Probe zbliży się do Słońca na jeszcze mniejszą odległość. Taki był jeden z pierwszych projektów sondy z lat 90. XX wieku, który zakładał wykorzystanie asysty grawitacyjnej od Jowisza, by wprowadzić pojazd na orbitę w odległości około 2 mln km od Słońca. Na przeszkodzie stanęły jednak koszty i skomplikowanie pojazdu.

O misji, która prawie dotknie powierzchni Słońca, myślano od początku epoki lotów kosmicznych w 1957 r. W grudniu 1974 r. w stronę Słońca wysłano sondę Helios 1, a nieco ponad rok później - w styczniu 1976 r. - Helios 2. Zbliżyły się one odpowiednio na 46,5 oraz 42,7 miliona kilometrów. To wciąż ogromny dystans, bo tylko nieco mniej niż jedna trzecia odległości Ziemia-Słońce, ale też około 10 mln km mniej niż rozmiar orbity Merkurego. Podobną odległość jak Helios 2 osiąga europejska sonda Solar Orbiter, która z kolei bada obecnie Słońce z perspektywy obserwatora ponad biegunami naszej dziennej gwiazdy.

Rekord Paker Solar Probe umożliwiły technologie powstałe dopiero pod koniec lat 90. XX wieku, między innymi kompozytowa pianka węglowa odporna na wysokie temperatury. Jednak zanim nauczyliśmy się ją wykorzystywać tak, by wykonać 11-centymetrową tarczę chroniącą cenną elektronikę sondy przed intensywnym promieniowaniem, upłynęły kolejne lata. Tak silna ochrona jest konieczna, gdyż w odległości 6,1 mln km od powierzchni Słońca, każdy metr kwadratowy powierzchni prostopadłej do kierunku Słońce-Ziemia, oświetlany jest z mocą 650 kW. Na Ziemi, w idealnych warunkach, gdy Słońce jest dokładnie nad naszą głową, byłoby to 500 razy mniej.

Powierzchnia Słońca ma temperaturę około 5500 stopni C, otaczająca je korona rozgrzana jest do ponad miliona stopni C. Według przewidywań osłona termiczna Parker Solar Probe osiągnęła 980 stopni C. W tej temperaturze topi się srebro, a złoto i miedź w jedynie o 100 stopni wyższej. Nie są to największe temperatury, z jakimi mają do czynienia ziemskie pojazdy - podczas lądowania na Ziemi ceramiczne płytki wahadłowca osiągały 1650 stopni C (teoretyczny limit dla osłony Parker Solar Probe), osłona pojazdu Orion misji Artemis 1 nawet 2760 stopni C (przyczyną jest między innymi ponad 40 proc. wyższa prędkość wejścia w atmosferę niż wahadłowca).

Lądujący na Ziemi pojazd nie musi wykonywać wielu zadań, tymczasem Parker Solar Probe, gdy jest wystawiona na największe piekło, musi realizować plan obserwacji. Osłona musi przetrwać wielokrotne, a nie jednorazowe zbliżenie się do Słońca. A przecież cała sonda w momencie startu ważyła 685 kg, kilka razy mniej niż sama osłona termiczna kapsuły Orion.

Plan obserwacji wymaga zasilania, które dostarczają panele słoneczne, które nie lubią nadmiaru promieniowania nawet na Ziemi. Panele fotowoltaiczne skonstruowano tak, by w trakcie zbliżenia do Słońca zdołały na każdy 1 W uzyskanej mocy odprowadzić 13 W zbędnego ciepła, przy minimalnej ich degradacji w trakcie misji. O tym, jak bardzo niekorzystny dla nich był rekordowy przelot, dopiero się dowiemy.

Zastosowano odchylane i składane panele, tak by promieniowanie jedynie muskało ogniwa pod niewielkim kątem, gdy sonda jest blisko Słońca. Jednocześnie sonda może generować energię efektywniej, gdy osiągnie najodleglejszy punkt orbity. Od spodu paneli umieszczono chłodnice, do których ciepło odprowadzane jest przez kanały z ultraczystą wodą.

To nie wszystko - w okolicy Słońca mamy do czynienia z powstającym i rozpędzającym się wiatrem słonecznym, pyłem pozostałym po kometach, które rozpadły się pod wpływem ogromnej grawitacji gwiazdy, a który porusza się tam z prędkością setek km/s. Sonda może też napotkać koronalny wyrzut materii (CME), w którym plazma może osiągnąć nawet 3000 km/s. Tak stało się we wrześniu 2022 r., jednakże CME, w którym materia miała prędkość 1350 km/s, nie wyrządził sondzie szkody.

Gdyby jednak podobny strumień materii napotkał na swojej drodze Ziemię, doświadczylibyśmy burzy geomagnetycznej, podobnej do największej udokumentowanej z 1859 r. (tzw. zdarzenie Carringtona). Nour Raouafi, naukowiec projektu Parker Solar Probe, uważa, że potencjalne zniszczenia w przypadku takiego dużego i bardzo szybkiego CME byłyby kolosalne. To dlatego Parker Solar Probe kontynuuje swoją misję, by wspomóc ludzkość w nauce odczytywania sygnałów, jakie daje Słońce, a które możemy rejestrować na orbicie, z Ziemi. A potem wpleść w modele komputerowe i prognozy pogody kosmicznej, dla większego bezpieczeństwa naszej cywilizacji.