Tại sao tàu thăm dò của NASA có thể tiếp cận Mặt Trời mà không sợ bị tan chảy

Vào cuối tháng 7 hoặc đầu tháng 8, NASA sẽ phóng tàu thăm dò không người lái Parker Solar lên tiếp cận Mặt Trời ở khoảng cách 6 triệu km, một khoảng cách có thể coi là gần nhất trong lịch sử khám phá Mặt Trời của con người.

Hành trình thú vị này nhiều khả năng sẽ kéo dài gần 7 năm kể từ ngày phóng. Tàu sẽ bay 24 vòng xung quanh Mặt Trời trước khi thu hẹp dần quỹ đạo. Khoảng cách từ tàu tới Mặt Trời sẽ giảm dần từ 24 triệu km xuống 6 triệu km ở vòng cuối cùng.

Khoảng cách từ Trái Đất tới Mặt Trời dài tới 150 triệu km. Nhưng trước khi tiếp cận Mặt Trời, tàu sẽ phải tiếp cận quỹ đạo của Sao Kim trước.

Parker Solar mang theo hi vọng của con người về việc lần đầu tiên có một tàu vũ trụ có thể tiếp cận vành nhật hoa – phần ngoài cùng của khí quyển Mặt Trời và là nơi có nhiệt độ cao, mật độ vật chất thấp và bức xạ khủng khiếp.

Tàu thăm dò Parker Solar sẽ phải trải qua rất nhiều thử thách trước khi tới Mặt Trời. Đó là nhiệt độ bề mặt Sao Kim lên tới 460 độ C và sau đó là nhiệt độ lên tới 1.370 độ C khi ở vị trí gần Mặt Trời nhất.

Vậy đâu là lý do tàu vũ trụ này không bị tan chảy?

Tất nhiên, NASA đã có giải pháp cho thách thức khó nhằn này. Đó chính là tấm khiên chắn nhiệt làm bằng sợi carbon phức hợp, đường kính 2,4m, dày 11,4cm và nặng 72,5kg. Khả năng chịu nhiệt tối đa của nó lên tới 1.400 độ C.

Lớp khiên chống nhiệt đặc biệt được tạo nên từ lớp bọt composite carbon kẹp giữa hai tấm carbon có tác dụng duy trì nhiệt độ ổn định cho con tàu. Qua đó, nhiệt độ thực tế mà con tàu phải chịu đựng chỉ khoảng 30 độ C.

Vấn đề cốt lõi để chúng ta có thể hiểu những gì giữ cho tàu vũ trụ và các công cụ của nó an toàn là hiểu được khái niệm về nhiệt so với nhiệt độ. Nhiệt độ cao không phải lúc nào cũng có tác dụng thực sự làm nóng một vật thể khác.

Trong không gian, nhiệt độ có thể là hàng ngàn độ mà không cung cấp nhiệt đáng kể đủ để làm nóng một vật thể. Nhiệt độ cho thấy các hạt di chuyển nhanh như thế nào trong khi mức nhiệt cho thấy tổng lượng năng lượng mà chúng chuyển hóa. Các hạt có thể di chuyển nhanh (nhiệt độ cao), nhưng nếu số lượng hạt là không nhiều, chúng sẽ không truyền nhiều năng lượng (mức nhiệt thấp). Vì trong không gian hầu như trống rỗng, sẽ có rất ít hạt có thể truyền năng lượng cho tàu vũ trụ.

Tấm chắn nhiệt TPS (Ảnh: phys.org)

Nhưng tất nhiên khả năng chống chịu phi thường của Parker Solar không chỉ nằm ở tấm khiên mà còn ở các bộ phận khác. Cụ thể Faraday cup, bộ phận dùng để thu thập phân tử ion và electron để thực hiện một số phép đo khoa học.

Chúng được chế tạo từ Titanium-Zirconium-Molybdenum, một hợp kim có điểm nóng chảy lên tới 2.349 độ C. Nó đủ sức để vận hành dưới điều kiện khắc nghiệt khi gần Mặt Trời.

Mọi hệ thống dây điện của tàu đều được làm từ niobium, một chất có nhiệt độ nóng chảy lên tới 2.476 độ C.

Ngoài ra, tàu thăm dò Parker Solar còn có một số cảm biến đặt trên thân tàu. Chúng đóng vai trò phát hiện ánh sáng Mặt Trời và thông báo cho máy tính trung tâm của Parker. Bộ phận xử lý sau đó sẽ điều chỉnh góc nghiêng để tấm khiên có thể bảo vệ tốt nhất cho thân tàu.

Theo NASA, bên trong tàu có cả một hệ thống làm mát sử dụng nước khử ion áp suất cao để "hạ hỏa" cho thân tàu dưới sức nóng khủng khiếp của Mặt Trời. Cung cấp năng lượng chính cho tàu chính là hệ thống pin Mặt Trời. Hệ thống pin này có thể rút lại và lắp đặt ở phía sau tấm chắn nhiệt để ngăn trường hợp Parker ở quá gần Mặt Trời.

Với khả năng tự làm mát các tấm năng lượng mặt trời co lại sau bóng của lá chắn nhiệt, chỉ để lại một phân đoạn nhỏ tiếp xúc với các tia cường độ của Mặt Trời.

Những tấm năng lượng mặt trời có hệ thống làm mát, hệ thống làm mát đủ mạnh sẽ giữ cho các tấm năng lượng mặt trời cũng như các thiết bị khác hoạt động một cách mát mẻ. Khoảng 3,7 lít nước khử ion được sử dụng làm chất làm mát cho hệ thống.

Cuối cùng cần phải hiểu rằng, bí quyết giúp Parker sống sót ở vành nhật hoa chính nhờ sự khác biệt giữa nhiệt độ và sức nóng, cùng mật độ phân tử.

Nhiệt độ là một phép đo về cách các phân tử di chuyển nhanh như thế nào. Nhưng sức nóng lại là phép đo về cách năng lượng thực sự truyền đi ra sao. Trong không gian, các hạt phân tử di chuyển rất nhanh nhưng lại không thể truyền đi quá nhiều nhiệt lượng. Nguyên nhân bởi có rất nhiều khoảng trống giữa các hạt đó. Nói cách khác là mật độ phân tử không cao.

Vành nhật hoa đúng là một nơi như vậy. Dù ở đó có nhiệt độ cực kỳ cao, thậm chí cao hơn cả nhiệt độ bề mặt của Mặt Trời là 5.500 độ C nhưng vành nhật hoa lại là nơi có mật độ phân tử rất thấp.

Nó giống như việc bạn đặt tay vào trong một chiếc lò nóng sẽ không khủng khiếp bằng chạm tay vào nước sôi. Bởi lẽ trong lò nướng, các phân tử không tập trung với mật độ cao như ở trong nước sôi. Do đó, bạn vẫn có thể chịu được lâu hơn so với việc chạm tay vào nước nóng.

Điều đó cũng đồng nghĩa khi di chuyển vào vành nhật hoa, tàu thăm dò sẽ không thực sự quá nóng vì mật độ phân tử không cao và ít chịu tác động của sức nóng tỏa ra từ Mặt Trời.

Nhìn chung, Parker Solar là một sự chuẩn bị rất kỹ càng của NASA trong việc tiếp cận Mặt Trời. Khi đã ổn định trong quỹ đạo, Parker Solar sẽ đóng vai trò quan trọng giúp các nhà khoa học tìm hiểu những bí ẩn về gió Mặt Trời và nguyên lý hoạt động của một ngôi sao khổng lồ.

Đây là tiền đề quan trọng hỗ trợ con người dự báo các hiện tượng có thể gây nguy hiểm cho hệ thống vệ tinh và Trái Đất trong tương lai.

theo Vnreview
Bài trước skip_previous
Bài sau skip_next
Đời sống 24