مهندسی بی‌نهایت: کاوشگر پارکر؛ لمس خورشید با سریع‌ترین فضاپیمای جهان

خورشید برای میلیاردها سال پشتیبان حیات روی سیاره زمین بوده و به شکل‌گیری نظام‌های اعتقادی و افسانه‌ها در سرتاسر تاریخ بشر کمک کرده است. این نورانی‌ترین جسم آسمان، گریزناپذیر و وجودش جز در نادرترین محیط‌های زمینی، انکارناشدنی است. بااین‌حال هنوز واقعاً نمی‌دانیم خورشید چگونه کار می‌کند.

ستاره‌ی منظومه‌ی ما بسیار پیچیده‌تر از آن چیزی است که به نظر می‌رسد. خورشید به جای قرص ثابت و بدون تغییری که چشمان ما می‌بیند، ستاره‌ای پویا و فعال از نظر مغناطیسی است. جو خورشید به‌طور پیوسته مواد مغناطیسی‌شده‌ای به بیرون می‌فرستد که سرتاسر منظومه شمسی را تا بسیار فراتر از مدار پلوتو دربرمی‌گیرند و درطول مسیر بر تمام جهان‌های موجود تأثیر می‌گذارند.

رؤیای دیرینه ملاقات با خورشید

اخترشناسان به مدت بیش از یک قرن خورشید را مطالعه کرده‌اند. آن‌ها با استفاده از تلسکوپ‌های زمینی و فضایی که به‌منظور مقاومت دربرابر تابش چشمگیر چهره‌ی سوزان خورشید طراحی شده‌اند، در هر طول موج طیف الکترومغناطیس به این ستاره خیره شده‌اند؛ اما دانشمندان هرچه قدر تلاش کرده‌اند، نتوانسته‌اند از اسرار خورشید پرده بردارند. شاید این ناکامی بدین دلیل است که تا همین اواخر هیچ تلسکوپی به اندازه‌ی کافی به خورشید نزدیک نشده بود تا بتواند واقعاً آن را مطالعه کند.

بااین‌حال چندی پیش وضعیت تغییر کرد. پاییز سال ۲۰۲۱ برای نخستین‌بار در تاریخ بشر، یک فضاپیما به جو خورشید پرواز و از میان ذرات فوق‌داغ تاج خورشید عبور کرد. این دستاورد، اطلاعات مهمی را دراختیار دانشمندان قرار داد که به کمک آن‌ها می‌توانیم سرانجام اسرار نزدیک‌ترین ستاره به زمین را کشف کنیم. این فضاپیمای جسور، «کاوشگر خورشیدی پارکر» نام دارد.

تصویر هنری از ورود کاوشگر پارکر به جو خورشید.

فضاپیما به افتخار یوجین پارکر، اخترفیزیکدان مطرح آمریکایی، کاوشگر خورشیدی پارکر نامیده شد

دانشمندان به مدت بیش از ۶۰ سال در آرزوی پرواز فضاپیمایی مانند کاوشگر پارکر بودند. در ۱۹۵۸ که سال تشکیل ناسا بود، هیئت مطالعات فضایی آکادمی ملی علوم آمریکا پیشنهاد کرد که این سازمان تازه‌تأسیس به‌منظور بررسی محیط پیرامون خورشید، فضاپیمایی را به درون مدار سیاره عطارد بفرستد. درطول سال‌ها چندین گروه پژوهشی ایده‌های مختلفی برای پرتاب کاوشگر خورشیدی ارائه کردند؛ اما هیچ‌کدام از مأموریت‌ها نمی‌توانستند آن‌طور که اخترشناسان می‌خواستند، به خورشید نزدیک شوند. دهه‌ها طول کشید تا فناوری سپرهای حرارتی و دیگر عناصر به خوبی به یکدیگر ملحق شوند و رویای دیرینه‌ی دانشمندان را به واقعیت تبدیل کنند.

طرح اولیه‌ی کاوشگر خورشیدی در دهه‌ ۱۹۹۰ قصد داشت از کمک گرانشی سیاره مشتری استفاده کند و به مداری قطبی وارد شود که فضاپیما را تقریباً به‌طور مستقیم به سمت خورشید می‌فرستاد؛ اما به دلیل مشکلاتی از جمله هزینه و زمان بالای مأموریت، برنامه در سال‌های بعد تغییر کرد. پروژه‌ی کاوش خورشید در اوایل دهه‌ی ۲۰۱۰ به پروژه‌ای کم‌هزینه‌تر به نام کاوشگر خورشیدی پلاس تبدیل و قرار شد برای رسیدن به خورشید از کمک گرانشی سیاره زهره و مسیر پروازی مستقیم‌تر استفاده شود. در مه ۲۰۱۷، فضاپیما به افتخار یوجین پارکر، اخترفیزیکدان مطرح آمریکایی و مبدع اصطلاح «باد خورشیدی» به کاوشگر خورشیدی پارکر تغییر نام یافت. این نخستین بار بود که ناسا نام یک فرد زنده را روی یکی از فضاپیماهایش می‌گذارد. سرانجام پس از دهه‌ها انتظار دانشمندان، فضاپیمای کاوشگر خورشید ۱۲ اوت ۲۰۱۸ (۲۱ مرداد ۱۳۹۷) پرتاب شد و مأموریت ۷ ساله‌اش را آغاز کرد.

ستاره اسرارآمیز

جو خورشید درست مانند جو سیاره‌مان از لایه‌های مختلف تشکیل شده است. جو زمین به ترتیب سه لایه‌ی تروپوسفر، استراتوسفر و مزوسفر را دارد و لایه‌های تشکیل‌دهنده‌ی جو خورشید نیز فوتوسفر،‌ کروموسفر و کرونا (تاج خورشید) هستند. اغلب تصور می‌شود که سطح خورشید از دیگر بخش‌ها داغ‌تر است؛ اما فوتوسفر یا سطح خورشید درواقع حرارت آنچنان بالایی ندارد. دما در این لایه بین نزدیک به ۶۲۰۰ درجه‌ی سانتی‌گراد در قسمت پایین تا ۳۷۰۰ درجه‌ی سانتی‌گراد در قسمت بالا متغیر است. این میزان دما تقریباً با حرارت جوشکاری با قوس الکتریکی برابری می‌کند. جالب است بدانید که هوای اطراف برخورد صاعقه می‌تواند تا پنج برابر از فوتوسفر داغ‌تر شود.

نکته‌ی عجیب این است که کرونا به‌عنوان بیرونی‌ترین لایه‌ی جو خورشید بسیار داغ‌تر از فوتوسفر است. دمای کرونا که تقریباً از ۲۱۰۰ کیلومتری بالای سطح خورشید آغاز می‌شود، به نیم میلیون تا چند میلیون درجه‌ی سانتی‌گراد یا دست‌کم ۸۰ برابر دمای سطح می‌رسد. مثل این است که از آتش دور شوید و با دورشدن هرچه بیشتر از آن، گرم‌تر شوید. این خصوصیت غیرعادی همان چیزی است که دستاورد کاوشگر خورشیدی پارکر را چشمگیرتر می‌کند.

کاوشگر خورشیدی پارکر در اتاق تمیز. سپر حرارتی فضاپیما با پوشش سفید سرامیکی در قسمت بالا قابل مشاهده است.

اینکه چرا تاج خورشید بسیار گرم‌تر از سطح خورشید است، یکی از اسرار حل‌نشده‌ی جهان محسوب می‌شود و پرده‌برداری از آن وظیفه‌ی کاوشگر خورشیدی پارکر است. درنتیجه، کاوشگر وظیفه دارد که از میدان‌های مغناطیسی و ذرات باردار تاج خورشید اطلاعات جمع‌آوری و تلاش کند تا به این معما پاسخ دهد.

درمجموع اهداف علمی کاوشگر پارکر تعیین مکانیسم‌هایی است که بادهای خورشیدی سریع و کند، گرمایش تاج خورشید و انتقال ذرات پرانرژی را پدید می‌آورند. به‌منظور تحقق این اهداف، کاوشگر باید برای انجام اندازه‌گیری‌های درجا کمتر از ۱۰ شعاع خورشیدی از مرکز خورشید به آن نزدیک شود (شعاع خورشید ۶۹۵٬۵۰۰ کیلومتر است) و دست‌کم ۱۴ ساعت را زیر ۱۰ شعاع خورشیدی و دست‌کم ۹۵۰ ساعت را زیر ۲۰ شعاع خورشیدی بگذارند. پرواز در اطراف خورشید در مقایسه با سایر مأموریت‌های فضایی که مقصدشان سیاره، سیارک یا دنباله‌دار است، چالش‌های فنی بی‌سابقه‌ای را پیش‌روی فضاپیما قرار می‌دهد که در ادامه به آ‌ن‌ها اشاره خواهیم کرد.

چالش‌های فنی کاوشگر پارکر

کاوشگر پارکر سریع‌تر از هر فضاپیمای دیگر مسیرش را می‌پیماید؛ به‌گونه‌ای که در آخرین گردش خود به دور خورشید با سرعت باورنکردنی ۶۹۰ هزار کیلومتر بر ساعت بر فراز سطح آن پرواز خواهد کرد. این سرعت چنان زیاد است که با آن می‌توان مسافت بین تهران تا کرمانشاه را زیر سه ثانیه پیمود. بااین‌حال نخستین مشکل بزرگ پیش‌روی پارکر، درواقع رسیدن به خورشید بود. با وجود آنکه گرانش خورشید مانند لنگر برای کل منظومه شمسی عمل می‌کند، نزدیک‌شدن به آن آسان نیست.

برای آنکه یک ماهواره را از مدار اطراف زمین خارج کنیم، باید تکانه زاویه‌ای آن را کاهش دهیم تا به سمت سیاره سقوط کند. این همان کاری است که هنگام تلاش برای خارج‌کردن جسم از مدار اطراف خورشید باید انجام دهیم؛ با این تفاوت که در این حالت، در فاصله‌ی یک واحد نجومی یا ۱۵۰ میلیون کیلومتر از خورشید قرار داریم و با سرعت ۳۰ کیلومتر بر ثانیه درحال حرکت هستیم.

نخستین مشکل بزرگ پیش‌روی پارکر، رسیدن به خورشید بود

هر جسمی که از زمین پرتاب شود، با همان سرعت مداری به مسیر دور خورشید وارد خواهد شد؛ بدین معنی که برای دستیابی به مدار کوتاه‌تر به دور خورشید باید سرعت مداری فضاپیما به دور خورشید را کاهش دهیم. کاهش سرعت فضاپیما اقدامی به‌شدت انرژی‌بر است؛ به‌ویژه وقتی انرژی لازم برای فرار از گرانش زمین را به آن اضافه کنید. بنابراین فرض کنید اول می‌خواهیم ماهواره‌مان را از سطح زمین به مدار اطراف زمین برسانیم. این امر مستلزم آن است که ماهواره را تا سرعت ۹٫۲ کیلومتر بر ثانیه نسبت به سطح زمین به حرکت درآوریم. آنگاه، ماهواره در مدار پیرامون زمین قرار می‌گیرد و با سرعت ۳۰ کیلومتر بر ثانیه به دور خورشید حرکت می‌کند.

پس از قرارگیری ماهواره در مدار زمین، باید مانوری مداری به نام «ترابرد هوهمان» انجام دهیم. با اجرای این مانور، انرژی مداری فضاپیما را تغییر می‌دهیم تا حضیض (نزدیک‌ترین فاصله به خورشید) یا اوج (دورترین فاصله از خورشید) آن را اصلاح کنیم. برای ملاقات با سیاره‌ای بیرونی مانند مریخ، باید با افزودن به انرژی مداری فضاپیما، اوج خورشیدی آن را افزایش دهیم؛ درحالی‌که رسیدن به سیاره‌ای درونی مانند زهره مستلزم آن است که با کاستن از انرژی مداری، حضیض خورشیدی را کاهش دهیم. برای رسیدن به مریخ و زهره از مدار زمین به ترتیب به دلتا وی (تغییر در سرعت) تقریباً ۲٫۹ کیلومتر بر ثانیه و ۲٫۵ کیلومتر بر ثانیه نیاز داریم. این مقادیر با استفاده از معادله‌ی زیر به‌دست می‌آیند:

در معادله، حرف یونانی مو که به u انگلیسی شباهت دارد، پارامتر سیاره‌ای خورشید نامیده می‌شود که حاصل جرم خورشید است. R1 شعاع مداری جرمی است که از آن شروع به حرکت می‌کنیم. در این مورد، فاصله‌ی ۱۵۰ میلیون کیلومتری زمین از خورشید،‌ شعاع مداری محسوب می‌شود و درنهایت R2 حضیض یا اوج مد نظر است. اگر دلتا وی مورد نیاز برای رسیدن کاوشگر خورشیدی پارکر به نزدیک‌ترین فاصله‌اش به خورشید (۶٫۲ میلیون کیلومتر) را محاسبه کنیم، به عدد ۲۱٫۴ کیلومتر بر ثانیه خواهیم رسید که بیش از ۸٫۵ برابر دلتا وی مورد نیاز برای رسیدن به زهره است.

عدد به‌دست‌آمده دلتا وی فوق‌العاده بالایی محسوب می‌شود و از توانایی تمام موشک‌های ساخته‌شده تاکنون فراتر است. اما چهار سال پیش، کاوشگر خورشیدی پارکر برفراز دلتا ۴ هوی، دومین موشک قدرتمند جهان پس از فالکون هوی اسپیس ایکس از کیپ کاناورال فلوریدا پرتاب شد. به‌منظور دادن رانش اضافی به کاوشگر، دلتا ۴ به مرحله‌ی سوم سوخت جامد مخصوصی مجهز شده بود که سه کیلومتر بر ثانیه دلتا وی بیشتری برای این موشک معمولاً دومرحله‌ای ارائه می‌داد.

بااین‌حال کاوشگر حتی با وجود بهره‌گیری از قدرت اضافی یادشده، هرگز نمی‌توانست به خورشید نزدیک شود. پارکر برای انجام پرواز رکوردشکن خود که یک‌هفتم رکورد هلیوس ۲، کاوشگر خورشیدی پیشین ناسا محسوب می‌شد، به‌طرز حیرت‌انگیز پنج مرتبه از گرانش سیاره زهره کمک گرفت و قرار است در سال‌های ۲۰۲۳ و ۲۰۲۴ نیز دو پرواز گذری دیگر از کنار این سیاره انجام دهد.

مسیر کاوشگر پارکر. فضاپیما با هر پرواز گذری از کنار زهره مدارش به دور خورشید را کوتاه‌تر می‌کند.

ازآنجاکه زهره سیاره‌ای با جرم نسبتاً پایین است،‌ پارکر به این تعداد پرواز گذاری نیاز داشت. مقدار سرعتی که یک سیاره می‌تواند تغییر دهد، تا حدی زیادی برحسب گرانش آن تعیین می‌شود که آن هم برحسب جرم سیاره تعیین می‌شود. همان‌طور که در ابتدا اشاره شد، برنامه‌ی اولیه‌ی پارکر گرفتن یک کمک گرانشی از سیاره مشتری بود که می‌توانست کاوشگر را سه برابر به خورشید نزدیک‌تر کند؛ اما این مسیر با برخی مشکلات همراه بود.

ازآنجا که مدار مشتری از خورشید بسیار دور است، نور خورشید رسیده به پنل‌های خورشیدی در اوج مداری پارکر، ۲۵ برابر کاهش می‌یافت و از این‌رو فضاپیما برای تأمین انرژی خود به پنل‌های بسیار بزرگ‌تر نیاز داشت. این مسئله زمانی مشکل‌ساز می‌شد که فضاپیما به دور مشتری می‌چرخید و شتاب‌گیری به سمت خورشید را آغاز می‌کرد. در این وضعیت، پنل‌ها دراثر گرمای خورشید از بین می‌رفتند و نمی‌توانستند جمع و پشت سپر خورشیدی پنهان شوند.

گزینه‌های دیگر دردسترس بود. سازندگان پارکر می‌توانستند از ژنراتور حرارتی رادیوایزوتوپ استفاده کنند؛ اما این امر هزینه، وزن و پیچیدگی فضاپیما را به طرز چشمگیری افزایش می‌داد. نقطه‌ی قوت واقعی مسیر پرواز جدید و متفاوت پارکر، دستیابی به زمان و داده‌های بیشتری است که به دانشمندان کمک می‌کنند تا هدف مأموریت کاوشگر، یعنی مطالعه‌ی خورشید را برآورده کنند.

با طرح اولیه‌ی پرواز به دور مشتری، کاوشگر فقط صد ساعت زمان در منطقه‌ی مد نظر در اطراف خورشید دراختیار داشت و پیش از آنکه به پایان مأموریت هشت ساله‌اش برسد، صرفاً دو مرتبه می‌توانست از کنار خورشید گذر کند. درحالی‌که مسیر کوتاه‌تر جدید بدین معنی است که تکمیل مدار کاوشگر خورشیدی پارکر به دور خورشید کمتر از ۱۵۰ روز طول می‌کشد و به دانشمندان امکان می‌دهد تا بیش از ۹۰۰ ساعت داده را درطول ۲۴ گردش کاوشگر به دور خورشید جمع‌آوری کنند.

ابزارهای اصلی فضاپیماسپر حرارتی

تغییر در برنامه با تغییر در طراحی، کنار گذاشتن سپر حرارتی مخروطی‌شکل اولیه و استفاده از سپر مسطح، فشرده و آشنای به‌کاررفته در سایر فضاپیماها همراه شد. این سپر از فوم کربنی با ضخامت ۱۱٫۴ سانتی‌متر ساخته شده؛ ماده‌ای واقعاً شگفت‌انگیز که محصول یکی از توانمندترین آزمایشگاه‌های نوآوری مواد به نام اولترامت است. این فوم کربنی زیر میکروسکوپ الکترونی روبشی، ماده‌ای فوق‌العاده متخلخل (پرمنفذ) به نظر می‌آید که ۹۷ درصد حجم داخلی آن فضای خالی است و بدین وسیله ضمن بهره‌مندی از پایداری حرارتی کربن، خواص عایق شگفت‌انگیز برای سپر حرارتی فراهم می‌کند.

سپر حرارتی پارکر از کامپوزیت کربن – کربن ساخته شده و درمعرض دمای تقریباً ۱۴۰۰ درجه‌ی سانتی‌گراد قرار می‌گیرد

ماده‌ی بعدی کامپوزیت کربن – کربن است که از ترکیب گرافیت با یک چسب آلی مانند قیر یا رزین اپوکسی ساخته می‌شود. این ترکیب پیش از آنکه فوق‌العاده گرم شود و چسب را به شکل خالص کربن تبدیل کند، در هر طرف فوم به‌کار رفت و کامپوزیت کربن – کربن را به‌وجود آورد. درنهایت از سفید سرامیکی برای رنگ‌آمیزی سمت رو به خورشید سپر استفاده شد تا حرارت را بیش از پیش بازتاب دهد.

برای مشاهده‌ی تصویر در اندازه‌ی بزرگ روی آن کلیک کنید.

اما اگر دمای تاج خورشید دست‌کم نیم میلیون درجه‌ی سانتی‌گراد است، کاوشگر چگونه می‌تواند بدون آنکه ذوب شود به درون آن وارد شود؟ هرچند بیرونی‌ترین لایه‌ی خورشید به طرز وحشتناک داغ است، چگالی بسیار پایینی دارد. به‌عنوان مقایسه به تفاوت قرار دادن دست خود در فر و قابلمه‌ی آب جوش فکر کنید. (این کار را در خانه انجام ندهید!) دست‌ها می‌توانند دمای بسیار بالاتر درون فر را برای مدت طولانی‌تری نسبت به آب جوش تحمل کنند؛ زیرا در قابلمه‌ی آب باید با ذرات بسیار بیشتری مواجه شوند.

به‌طرز مشابه، تاج خورشید کم‌چگال‌تر از سطح مشاهده‌پذیر خورشید است؛ درنتیجه فضاپیما با ذرات داغ کمتری مواجه می‌شود. درواقع درحالی‌که پارکر در محیطی با دمای چند میلیون درجه‌ی سانتی‌گراد حرکت می‌کند، سپر حرارتی رو به خورشید فضاپیما فقط تقریباً تا ۱۴۰۰ درجه‌ی سانتی‌گراد گرم می‌شود.

فنجان کاوشگر خورشیدی (SPC)

سایر بخش‌های فضاپیما به اضافه‌ی چند حسگر تخصصی و پنل‌های خورشیدی باید به گونه‌ای طراحی می‌شدند تا در زیر سایه‌ی سپر قرار بگیرند. اما ابزارهای مختلفی وجود دارند که با شجاعت از زیر سایه‌ی سپر حرارتی خارج می‌شوند؛ مانند فنجان کاوشگر خورشیدی که یکی از چندین حسگر سوار بر فضاپیما است. این قطعه بدون شک چشمگیرترین فناوری پارکر به حساب می‌آید که به‌طور کامل از محدوده‌ی حفاظت سپر خورشیدی خارج است؛ درنتیجه طراحان مجبور بودند در به‌کارگیری مواد بسیار خلاقانه عمل کنند.

فنجان کاوشگر خورشیدی پارکر یک فنجان فارادی و بخشی از ابزار بررسی باد خورشیدی (SWEAP) است؛ دستگاهی که می‌تواند خواص الکترون‌ها و یون‌های تابیده از خورشید را بشمارد و اندازه‌گیری کند و دراصل توانایی مطالعه‌ی بادهای خورشیدی و اجرام پرتابی از تاج خورشید را به فضاپیما می‌دهد. این دستگاه اساسا با اعمال یک میدان الکتریکی روی شبکه‌ی قرارگرفته در دهانه‌ی فنجان کار می‌کند. با تغییر ولتاژ می‌توان ذراتی را که توانایی ورود به فنجان را دارند، انتخاب یا فیلتر کرد و هم‌زمان با برخورد ذرات باردار به صفحه‌ی جمع‌کننده در پایین فنجان، اطلاعات بیشتری درباره‌ی عامل ایجاد جریان به‌دست آورد. درعمل فنجان دستگاهی بسیار ساده است؛ اما به دلیل رویارویی با دمای ۱۴۰۰ درجه‌ی سانتی‌گراد که درست زیر نقطه ذوب آهن خالص است، فنجان کاوشگر خورشیدی به برخی ابداعات مهندسی نیاز داشت.

فنجان کاوشگر خورشیدی (SPC).

چالش نخست، انتخاب ماده‌ای برای شبکه‌ی الکتریکی بود که میدان الکتریکی انتخابی را در ورودی فنجان ایجاد کند. این شبکه علاوه‌بر رسانایی و مقاومت دربرابر حرارت، باید برای ساخت شبکه‌ای فاصله‌بندی‌شده در مقیاس صد میکرون نیز قابل ماشین‌کاری باشد. بدین منظور سازندگان از تنگستن استفاده کردند؛ همان ماده‌ای که اینجا روی زمین در لامپ‌های رشته‌ای استفاده می‌شود. لامپ‌ها به لطف تنگستن می‌توانند در دمای بسیار بالای مورد نیاز برای تولید نور دوام بیاورند. رشته‌های نور تنگستن در دمای سه هزار درجه‌ی سانتی‌گراد عمل می‌کنند؛ درنتیجه دوام بسیار بالایی دربرابر دماهای بالا دارند. بااین‌حال ماشین‌کاری تنگستن در شبکه‌ای بسیار ریز دشوار است.

ماشین‌کاری در مقیاس میکرون با ابزارهای سنتی انجام نمی‌شود. با استفاده از این ابزارها به محض اعمال نیروی لازم برای تراشیدن فلز، شبکه می‌شکند. درعوض در این گونه موارد لیزرها معمولاً برای نقش‌اندازی بر مواد (اچ کردن) به‌کار می‌روند؛ اما از آنجاکه تنگستن دربرابر حرارت بسیار مقاوم است، لیزر قادر به ذوب آن برای تشکیل شبکه نخواهد بود. درعوض سازندگان از چاپ تیزابی استفاده کردند.

در مرحله‌ی بعد، به کابل‌هایی نیاز بود که بتوانند برق شبکه را تأمین و سیگنال‌های الکتریکی را از صفحه‌ی جمع‌کننده دور کنند. مس و آلومینیوم، دو رسانای رایج روی زمین در موقعیت کاوشگر خورشیدی پارکر به حوضچه‌ی فلز مذاب تبدیل خواهند شد؛ درنتیجه به هیچ وجه نمی‌شد آن‌ها را به کار برد. هر کابل رسانا در این قسمت از فضاپیما باید از نیوبیوم سی-۱۰۳ که آلیاژ ویژه‌ای شامل ۸۹ درصد نیوبیوم، ۱۰ درصد هافنیوم و یک درصد تیتانیوم است، ساخته شود. در ساخت تمام اجزای پوشش خارجی نیز از این ماده‌ی عجیب مخصوص هوافضا استفاده شده است. به‌طور معمول سیم‌ها با پوشش‌های بیرونی پلاستیکی عایق می‌شوند؛ اما بدیهی است که این گزینه برای کاوشگر فضایی پارکر ممکن نبود و مهندسان مجبور شدند برای اطمینان از عایق‌بودن سیم‌های نیوبیوم، از یاقوت کبود استفاده کنند.

سازندگان پارکر برای انجام آنچه نسبتاً کاری پیش‌پاافتاده روی زمین است، ناگزیر به استفاده از مواد عجیب یادشده بودند. سایر بخش‌های حسگرهایی که فراتر از سپر خورشیدی قرار دارند، به روش مشابه ساخته شده‌اند. ابزارهای اندازه‌گیری میدان مغناطیسی پنهان در پشت سپر به آنتن‌هایی نیاز دارند که از سپر خورشیدی فراتر باشند تا بتوانند اندازه‌گیری‌ها از میدان مغناطیسی خورشید را انجام دهند. این چهار آنتن نیز از نیوبیوم سی-۱۰۳ ساخته شده‌اند.

پنل‌های خورشیدی

پنل‌های خورشیدی چالش بعدی بودند. فضاپیما درحالی‌که در مدار دوردست خود به دور خورشید می‌چرخد، می‌تواند بدون هیچ مشکلی پنل‌های خورشیدی‌اش را به‌طور کامل باز کند؛ اما همین که کاوشگر برگشت سریع خود را به سمت خورشید آغاز می‌کند، گرما به مشکلی فزاینده تبدیل خواهد شد. با جمع‌کردن صفحات خورشیدی می‌توان تا حدی با این مشکل مقابله کرد؛ اما فضاپیما برای راه‌اندازی تجهیزات علمی‌اش درجریان این مرحله‌ی مهم از پرواز باید مقداری نیرو حفظ کند.

پارکر دو پنل ثانویه‌ی کوچک‌تر دارد که رو به خورشید باقی می‌مانند و با آب خنک می‌شوند. این آب درون پنل‌های خورشیدی و رادیاتورهای سیاه‌رنگی که به خرپایی تیتانیومی درست در زیر سپر خورشیدی قرار دارند. پمپ می‌شود. این خرپا با وجود اندازه‌ی بزرگش بسیار سبک است. کل خرپا فقط ۲۲٫۷ کیلوگرم وزن دارد که با درنظرگرفتن اندازه‌ی سازه، حتی برای تیتانیوم به‌عنوان فلزی با چگالی کم، وزن بسیار پایینی به حساب می‌آید. مهندسان ناسا با انجام محاسبات استرس دقیق مطمئن شده‌اند که خرپا می‌تواند تا حد امکان از مواد کمتر استفاده کند. این امر البته موجب صرفه‌جویی در وزن پرتاب شده؛ اما مواد موجود برای انتقال گرما از سپر حرارتی به باس (بدنه اصلی) فضاپیما را نیز به حداقل رسانده است.

کوره خورشیدی ادیلو در فرانسه.

آزمودن سامانه‌ها در گرمایی که انتظار می‌رود با آن مواجه شوند، روی زمین دشوار است. کوره خورشیدی ادیلو، شبیه‌ترین مکان به محیطی است که سامانه‌های کاوشگر پارکر باید تحمل کنند. این مرکز که در دامنه‌ی کوهی در جنوب فرانسه ساخته شده است، از ده هزار آینه‌ی تنظیم‌شدنی برای تمرکز نور روی یک آینه‌ی مقعر استفاده می‌کند. کوره خورشیدی ادیلو توانایی رسیدن به دمای ۳۵۰۰ درجه‌ی سانتی‌گراد را دارد؛ بیش از دو برابر دمایی که سپر خورشیدی پارکر تجربه خواهد کرد.

قطعاتی مانند فنجان فارادی و سپر خورشیدی در نقطه کانونی آینه‌ی مقعر کوره و درمعرض دمایی قرار گرفتند که باید در مواجهه با خورشید تحمل کنند. بااین‌حال قطعه‌ای نظیر فنجان فارادی باید در حین انجام وظایف حسی خود نیز مورد آزمایش قرار می‌گرفت. بدین منظور، مهندسان به یک شتاب‌دهنده ذرات نیاز داشتند تا الکترون‌ها و یون‌های بادهای خورشیدی را که فنجان با آن‌ها مواجه می‌شود، شبیه‌سازی کنند. ترکیب شتاب‌دهنده ذرات با کوره خورشیدی امکان‌پذیر نبود؛ درنتیجه پژوهشگران دانشگاه میشیگان، ایده‌ی هوشمندانه‌ی استفاده از چهار پروژکتور پرقدرت آی‌مکس را برای شبیه‌سازی حرارت خورشید پیشنهاد دادند. آن‌ها همچنین دریافتند که فنجان فارادی درواقع هنگام گرم‌شدن عملکرد بهتری دارد؛ زیرا حرارت، سامانه را از آلاینده‌ها پاک می‌کند.

بسیاری از اطلاعات به‌دست‌آمده از فنجان فارادی برای علاقه‌مندان معمولی به فضا چندان جالب توجه نیست. آن‌ها داده‌های خامی هستند که سرنخ‌هایی ارزشمند از ماهیت خورشید دراختیار دانشمندان قرار می‌دهند. بااین‌حال یکی از حسگرهای روی فضاپیما که وظیفه‌ی انتقال تصاویر به زمین را برعهده دارد، می‌تواند ما را شگفت‌زده کند.

دوربین میدان عریض کاوشگر خورشیدی (WISPR)

درجریان خورشیدگرفتگی می‌توانیم پدیده‌ای زیبا را مشاهده کنیم: حلقه‌های درخشان نور که به دور خورشید خودنمایی می‌کنند. این الگوهای خارق‌العاده حاصل الکترون‌های درخشانی هستند که پیرامون خورشید روی خطوط میدان مغناطیسی حرکت می‌کنند و دراثر فشار بادهای خورشیدی دچار تغییر شکل شده‌اند. ما توانسته‌ایم جریان‌های الکترون‌های پرانرژی را از زمین و رصدخانه‌های خورشیدی‌مان که در نقطه لاگرانژی ۱ مستقر شده‌اند، مشاهده کنیم؛ اما هرگز تا همین اواخر موفق نشده بودیم آن‌ها را از نزدیک ببینیم.

کاوشگر پارکر در سال ۲۰۲۱ با عبور از میان تاج خورشید در کنار ساختارهایی به نام جریان‌سازهای تاجی پرواز کرد.

پارکر پس از تکمیل واپسین مدار خود و اتمام ماموریتش، در جو خورشید تبخیر خواهد شد

هنگامی که کاوشگر خورشیدی پارکر در نهمین رویارویی‌اش با خورشید، به تاج آن وارد شد، با دوربین میدان عریض (WISPR) خود که مجموعه‌ای از تلسکوپ‌های نوری است، شروع به ضبط تصاویر از فضای اطرافش کرد. تصاویر ارسال‌شده به زمین مانند چشم‌انداز یک مسافر از طوفان برفی است که در شب تاریک از میان آن عبور می‌کند: زیرذرات درخشانی که حین فرو رفتن کاوشگر در چشم طوفان، از کنار آن جریان می‌یابند. این تصاویر زیبا، بدون شک داده‌های بی‌نظیری درباره‌ی ماهیت زیرذرات جاری در تاج خورشید به دانشمندان می‌دهند.

مسیر پیش‌روی کاوشگر پارکر

ملاقات نزدیک بعدی کاوشگر خورشیدی پارکر در ۱۱ خرداد ۱۴۰۱ اتفاق خواهد افتاد و فضاپیما تا سه سال آینده، ۱۵ مرتبه‌‌ی دیگر و درمجموع ۲۴ مرتبه به دور خورشید خواهد چرخید. پارکر با دو پرواز دیگر از کنار زهره در سال‌های ۲۰۲۴ و ۲۰۲۵، رکوردهای خودش را خواهد شکست و به مراتب به خورشید نزدیک‌تر خواهد شد. در واپسین ملاقات، کاوشگر به فاصله‌ی ۶/۱۶ میلیون کیلومتری خورشید خواهد رسید که تقریباً هفت برابر نزدیک‌تر از هر فضاپیمای دیگر است.

پس از تکمیل مدار بیست‌وچهارم، کاوشکر ممکن است مقداری سوخت برای تداوم گردش به دور خورشید داشته باشد؛ اما درنهایت پارکر نمی‌تواند پیشرانه‌هایی را که برای نگاه‌داشتن سپر حرارتی‌اش به سمت خورشید ضروری هستند، روشن کند. کاوشگر سپس شروع به چرخیدن خواهد کرد و بخش‌هایی از فضاپیما که برای دیدن خورشید طراحی نشده‌اند، درمعرض تابش کامل قرار خواهند گرفت.

فضاپیما درابتدا به تکه‌های بزرگ تقسیم و سپس کوچک‌تر و کوچک‌تر خواهد شد. در انتها از کل کاوشگر که به اندازه‌ی یک ماشین کوچک است، چیزی بیش از غبار ناچیز پراکنده در سرتاسر تاج خورشید باقی نخواهد ماند. بااین‌حال میراث پارکر پابرجا خواهد بود. انتظار می‌رود مشاهدات کاوشگر سرانجام به حل پرسش‌هایی کمک کند که از دهه‌ها پیش ذهن دانشمندان را مشغول کرده است.

مطالعه‌ی خورشید از نزدیک و تلاش برای پرده‌برداری از اسرار این ستاره، رویای دیرینه‌ای بوده است که اکنون به لطف کاوشگر خورشیدی پارکر به واقعیت تبدیل شده است.