Parker Solar Probe

Το σκάφος και τα χαρακτηριστικά του

Αρχικώς προγραμματισμένο να εκτοξευθεί το 2015, το σκάφος σχεδιάστηκε και κατασκευάσθηκε από τον τομέα Διαστήματος του έμπειρου σε τέτοιες κατασκευές Εργαστηρίου Εφαρμοσμένης Φυσικής (APL) του Πανεπιστημίου Τζονς Χόπκινς, στο Maryland των ΗΠΑ, όπου σταδιοδρόμησε ο γνωστός Έλληνας διαστημικός επιστήμονας Σταμάτης Κριμιζής. Υπεύθυνος του προγράμματος κατασκευής στο APL ήταν ο Α. Ντρίσμαν (Andrew Driesman), ενώ επικεφαλής επιστήμονας της όλης αποστολής (Program Scientist) στη NASA είναι ο Ελσαγιέντ Ταλαάτ (Elsayed Talaat). Η αποστολή έχει συνολικό προϋπολογισμένο κόστος 1,5 δισεκατομμύριο δολάρια και εντάσσεται στα πλαίσια του προγράμματος της NASA «Living With a Star» (LWS, «Ζώντας με ένα άστρο»), το οποίο έχει ως στόχο τη διερεύνηση ζητημάτων σχετικών με το σύστημα Ηλίου-Γης, που επηρεάζουν τον ανθρώπινο πολιτισμό. Το πρόγραμμα αυτό διευθύνεται από το Κέντρο Διαστημικών Πτήσεων Γκόνταρντ της NASA.
Οι προδιαγραφές του διαστημοπλοίου είναι τέτοιες ώστε να μπορεί, όπως προβλέπεται, να πλησιάσει σε απόσταση έως 6,16 εκατομμυρίων km τη φωτόσφαιρα. Στο ύψος αυτό η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας είναι περίπου 520 φορές μεγαλύτερη από όσο στην τροχιά της Γης, οπότε το σκάφος χρειάζεται οπωσδήποτε ένα ηλιακό σκίαστρο-ασπίδα, «σύστημα θερμικής προστασίας» (Thermal Protection System, TPS) όπως είναι η επίσημη ονομασία του, το οποίο έχει πάχος 11,43 cm και είναι κατασκευασμένο από ενισχυμένο σύνθετο υλικό ινών άνθρακα σε υπόστρωμα γραφίτη. Το υλικό αυτό είναι παρόμοιο με εκείνο που χρησιμοποιήθηκε για τον κώνο και τις εμπρόσθιες ακμές των πτερύγων του διαστημικού λεωφορείου, και χρησιμοποιείται ακόμα στα δισκόφρενα των αγωνιστικών αυτοκινήτων της Φόρμουλα 1. Στην περίπτωση του Parker Solar Probe είναι σχεδιασμένο για να αντέξει σε θερμοκρασίες μέχρι περίπου 1.377 βαθμούς C. Η θερμική αυτή ασπίδα έχει εξαγωνικό σχήμα, μέσο πλάτος 2,44 μέτρα και μάζα 73 χιλιόγραμμα. Τα συστήματα του σκάφους, όπως και τα επιστημονικά του όργανα, είναι τοποθετημένα στην κεντρική περιοχή της σκιάς της, ώστε να είναι πλήρως καλυμμένα από την άμεση ηλιακή ακτινοβολία. Επειδή το υλικό της ασπίδας είναι πολύ κακός αγωγός της θερμότητας, τα προστατευόμενα μέρη του σκάφους θα βρίσκονται σε θερμοκρασία κάτω των 35 °C.
Οι διαστάσεις του Solar Probe είναι 1,0 επί 3,0 επί 2,3 μέτρα. Η ηλεκτρική ενέργεια για την τροφοδότηση των συστημάτων και των οργάνων του σκάφους θα προέρχεται από διπλό σύστημα φωτοβολταϊκών συστοιχιών: Το κύριο σύστημα θα λειτουργεί για το τμήμα της αποστολής μακρύτερα από 37,4 εκατομμύρια km από τον Ήλιο και θα αποσύρεται πίσω από την ασπίδα κοντά στο περιήλιο της τροχιάς του Solar Probe. Τότε θα αναλαμβάνει η πολύ μικρότερη δευτερεύουσα συστοιχία, η οποία θα χρησιμοποιεί ένα πρωτοποριακό ψυκτικό σύστημα με κυκλοφορία 5 λίτρων απιονισμένου νερού υπό πίεση για να αποφεύγεται η υπερθέρμανση, που στην περίπτωση των φωτοβολταϊκών μειώνει την απόδοση. Η ηλεκτρική ισχύς που θα αποδίδει η συστοιχία στο περιήλιο θα ανέρχεται σε 343 Watt. Eπιπρόσθετες καινοτομίες απαιτήθηκαν σχετικά με τις φωτοβολταϊκές συστοιχίες: Σύμφωνα με τη μηχανικό της αποστολής Mary Kae Lockwood του APL, «μάθαμε πολλά για την απόδοση των φωτοβολταϊκών από το διαστημόπλοιο MESSENGER που εξερεύνησε τον Ερμή. Ειδικότερα, μάθαμε πώς να σχεδιάζουμε μια συστοιχία που να μετριάζει την υποβάθμιση που προκαλεί το υπεριώδες φως.»
Πέρα από τις επιμέρους καινοτομίες, μία από τις προκλήσεις που θα κληθούν να αντιμετωπίσουν οι υπεύθυνοι της αποστολής θα είναι η ταχεία αντιμετώπιση του οποιουδήποτε προβλήματος ανακύψει. Κατά τη διάρκεια του κάθε περιηλίου θα υπάρχει μία περίοδος περίπου 11 ημερών κατά τις οποίες η επικοινωνία με το σκάφος θα είναι αδύνατη εξαιτίας των υψηλών επιπέδων ραδιοθορύβου που προέρχεται από τον Ήλιο. Οι μηχανικοί της αποστολής έπρεπε να φαντασθούν το κάθε είδους δυνατό πρόβλημα στη λειτουργία του σκάφους και μετά να προγραμματίσουν τους υπολογιστές του, έτσι ώστε να αποκριθούν άμεσα από μόνοι τους, είτε επιλύοντας το πρόβλημα, είτε θέτοντας το σκάφος σε κατάσταση ασφαλούς λειτουργίας (safe mode), που θα αποτρέψει ανεπανόρθωτες βλάβες μέχρι οι ελεγκτές στο APL να διορθώσουν το πρόβλημα, όταν αποκατασταθεί η επικοινωνία του Solar Probe με τη Γη. Σύμφωνα  με τη Lockwood, «αυτό το διαστημόπλοιο είναι ίσως ένα από τα πλέον αυτόνομα συστήματα που κατασκευάστηκαν ποτέ για διαστημική αποστολή». Κρίσιμη θα είναι επίσης η απόδοση των ευαίσθητων θερμομέτρων λευκοχρύσου, που μετρούν τη θερμοκρασία από τη μεταβολή στην ηλεκτρική αντίσταση του μετάλλου. Αυτά τα θερμόμετρα παρουσίασαν περισσότερες δυσλειτουργίες από όσες αναμένονταν κατά τη διάρκεια των δοκιμών, σύμφωνα με μία παρουσίαση στη σύγκληση της Συμβουλευτικής Επιτροπής Ηλιοφυσικής της NASA, στις 5 Απριλίου 2018. Μία άλλη ιδιαιτερότητα της αποστολής είναι η αργή περιστροφή του σκάφους γύρω από τον εαυτό του, ο ρυθμός της οποίας θα πρέπει να μεταβάλλεται συνεχώς και με μεγάλη ακρίβεια κατά τα εικοσιτετράωρα πριν και μετά το κάθε περιήλιο, προκειμένου όλα τα μέρη του σκάφους να διατηρούνται συνεχώς υπό τη σκιά της θερμικής ασπίδας. Η συνολική μάζα του σκάφους κατά την εκτόξευσή του από τη Γη θα είναι 685 χιλιόγραμμα (kgr). Από τα 685 kgr, τα 130 αντιστοιχούν στα προωθητικά (καύσιμο και οξειδωτικό). Από τα υπόλοιπα 555, το καθαρό ωφέλιμο φορτίο, δηλαδή τα επιστημονικά όργανα, αντιστοιχούν σε μόλις 50 kgr.
Στις 6 Νοεμβρίου 2017 το Parker Solar Probe μεταφέρθηκε στο Κέντρο Διαστημικών Πτήσεων Γκόνταρντ της NASA για δοκιμές. Στις 24 Μαρτίου 2018 το σκάφος ολοκλήρωσε με επιτυχία τις δοκιμές διαστημικού περιβάλλοντος στο Κέντρο Goddard, αφήνοντας τον θερμικό θάλαμο κενού αφού παρέμεινε επί δύο περίπου μήνες στο εσωτερικό του. Στη συνέχεια συσκευάσθηκε μέσα σε ειδικό εμπορευματοκιβώτιο και στις 3 Απριλίου ταξίδεψε αεροπορικώς στο Τίτασβιλ της Φλόριντα. Εκεί, στις εγκαταστάσεις της Astrotech Space Operations, σε απόσταση μικρότερη των 30 km από το Ακρωτήριο Κανάβεραλ, οι δοκιμές συνεχίστηκαν, έγιναν ακόμα και έλεγχοι για το αν υπήρξε κάποια φθορά κατά το αεροπορικό ταξίδι, και μετά την τελική συναρμολόγηση, με την προσθήκη της ασπίδας θερμικής προστασίας, οι δεξαμενές του γεμίστηκαν με προωθητικά και προσαρμόστηκε στον τρίτο όροφο του πυραύλου που θα το στείλει στο διάστημα.
Σε μια κίνηση δημοσιότητας, η NASA προσκάλεσε τον οποιονδήποτε να δηλώσει το ονοματεπώνυμό του διαδικτυακά μέχρι τις 27 Απριλίου 2018, ώστε αυτό να συνοδεύσει το Solar Probe στο ταξίδι του καταγεγραμμένο σε μία κάρτα μνήμης. Συνολικά καταγράφηκαν 1.137.202 ονόματα. Το ίδιο έχει γίνει στο παρελθόν και σε άλλες διαστημικές αποστολές, όπως τη Stardust το 1997.

Η εξέλιξη της αποστολής

Το Parker Solar Probe εκτοξεύθηκε στις 12 Αυγούστου 2018, στις 10.31 π.μ. θερινή ώρα Ελλάδας (πριν την αυγή τοπική ώρα), από το Ακρωτήριο Κανάβεραλ, φορτωμένο επάνω σε έναν πύραυλο-φορέα Delta IV Heavy (Delta 9250H) των 733 τόνων, με επάνω όροφο εφοδιασμένο με τον κινητήρα στερεού καυσίμου STAR-48B για επιπρόσθετη προώθηση. Η πορεία που θα ακολουθήσει το σκάφος θα είναι αρκετά πολύπλοκη, καθώς θα χρειασθεί 6,5 χρόνια περίπου από την εκτόξευσή του μέχρι την πρώτη πολύ κοντινή προσέγγιση στον Ήλιο. Κατά τη διάρκειά τους θα περάσει επτά φορές κοντά από τον πλανήτη Αφροδίτη, προκειμένου να επιβραδυνθεί και να μειώσει τη στροφορμή του σε σχέση με τον Ήλιο χωρίς μεγάλη δαπάνη προωθητικών. Για τον λόγο αυτό, η διαδικασία θα γίνει αργά και βαθμιαία, κατά τη διάρκεια 24 τροχιών γύρω από τον Ήλιο. Ταυτόχρονα όμως θα αρχίσει την επιστημονική φάση της αποστολής, με τη συλλογή δεδομένων να επικεντρώνεται στα σύντομα σχετικώς χρονικά διαστήματα των ηλιακών προσεγγίσεων. Το περιβάλλον ακτινοβολιών υψηλής ενέργειας κοντά στον Ήλιο προβλέπεται να προκαλεί φαινόμενα στατικού ηλεκτρισμού και φθορές στα ηλεκτρονικά, αλλά και στον υπόλοιπο εξοπλισμό του σκάφους, καθώς και διακοπές στην επικοινωνία με τη Γη. Για τον λόγο αυτόν, η τροχιά του θα είναι μεγάλης εκκεντρότητας, δηλαδή η απόστασή του από τον Ήλιο θα έχει μεγάλες διακυμάνσεις. Από τα 6 έτη και 321 ημέρες που είναι η ονομαστική προγραμματισμένη διάρκεια της αποστολής, το σκάφος θα περάσει 937 ώρες (το 1,55% του συνολικού χρόνου) σε απόσταση από τον Ήλιο μικρότερη των 14 εκατομμυρίων km και μόλις 14 ώρες σε απόσταση από τον Ήλιο μικρότερη των 7 εκατομμυρίων km.
Το αναλυτικό χρονοδιάγραμμα του ταξιδιού είναι ενδεικτικό: Tο Solar Probe θα περάσει για πρώτη φορά από την Αφροδίτη στις 3 Οκτωβρίου 2018. Τότε θα αποκτήσει μια τροχιά γύρω από τον Ήλιο με περίοδο περιφοράς 150 ημερών, δηλαδή τα δύο τρίτα της περιόδου περιφοράς της Αφροδίτης. Από το πρώτο ήδη περιήλιο, στις 5 Νοεμβρίου του 2018, θα έχει πλησιάσει τον Ήλιο σε απόσταση 24,8 εκατομμυρίων km από τη φωτόσφαιρά του, περισσότερο από κάθε άλλο σκάφος στην ιστορία. Μετά λοιπόν από τρία περιήλια, θα συναντήσει και πάλι την Αφροδίτη στο ίδιο σημείο της τροχιάς της, στις 26 Δεκεμβρίου 2019. Η δεύτερη συνάντηση θα μειώσει την περίοδο του σκάφους σε 130 ημέρες. Σε λιγότερο από δύο τροχιές, 198 ημέρες αργότερα, θα συναντήσει την Αφροδίτη για τρίτη φορά, μειώνοντας την περίοδο περιφοράς του στο μισό της περιόδου της Αφροδίτης 112,5 ημέρες. Μετά από μία τροχιά της Αφροδίτης και δύο του σκάφους, η  αποστολή θα περάσει για τέταρτη φορά από την Αφροδίτη, στις 20 Φεβρουαρίου 2021, μειώνοντας την περίοδο περιφοράς του σε 102 ημέρες. 237 ημέρες αργότερα θα συναντήσει τον πλανήτη για πέμπτη φορά και θα μειώσει την περίοδό του σε 96 ημέρες, δηλαδή τα τρία έβδομα της περιόδου της Αφροδίτης. Τρεις περιφορές της Αφροδίτης (και επτά περιήλια του σκάφους) αργότερα, δηλαδή σχεδόν δύο γήινα χρόνια, στις 21 Αυγούστου 2023, η έκτη συνάντηση με τον πλανήτη θα μειώσει την περίοδο περιφοράς του διαστημοπλοίου σε 92 ημέρες, τα δύο πέμπτα εκείνης της Αφροδίτης. Τέλος, πέντε περιφορές του αργότερα, θα περάσει από την Αφροδίτη για έβδομη και τελευταία φορά στις 2 Νοεμβρίου 2024, οριστικοποιώντας την περίοδό του σε 88 ημέρες και καθιστώντας ικανή την πρώτη εγγύτατη προσέγγιση στον Ήλιο, σε απόσταση, όπως προαναφέρθηκε, μόλις 6,16 ως 6,3 εκατομμυρίων χιλιομέτρων από την επιφάνειά του, στις 19 Δεκεμβρίου 2024. Αυτό θα είναι το εικοστό δεύτερο περιήλιο της αποστολής. Με την ίδια σταθερή απόσταση περιηλίου, το Solar Probe δεν αναμένεται να αντέξει περισσότερα από 5 ως 6 τέτοια περιήλια, δηλαδή περίπου μέχρι το εικοστό έκτο, τον Δεκέμβριο του 2025. Αν τα θερμικά φορτία είναι μικρότερα από όσο αναμένεται, μπορεί να αποτολμηθεί κάθοδος μέχρι τα 5,9 εκατομμύρια χιλιόμετρα. Κατά τη διάρκεια αυτών των διαβάσεων, το σκάφος θα είναι βυθισμένο μέσα στην εξωτερική ατμόσφαιρα του Ηλίου, το ηλιακό στέμμα. Κατά μία έννοια βέβαια ο ηλιακός άνεμος είναι η συνεχώς διαστελλόμενη προέκταση του στέμματος, οπότε ολόκληρο το Ηλιακό Σύστημα, μαζί και η Γη, είναι βυθισμένα μέσα στην ηλιακή ατμόσφαιρα.
Καθώς το σκάφος θα περνά από αυτά τα τελευταία περιήλια, η ταχύτητά του θα αυξάνεται προσωρινά σε περισσότερο από 200 km ανά δευτερόλεπτο σε σχέση με τον Ήλιο, μία τιμή που θα το καταστήσει το ταχύτερο κατασκευασμένο από τον άνθρωπο αντικείμενο στην ιστορία. Καθώς συμβαίνει με κάθε σώμα σε πολύ «μακρόστενη» ελλειπτική τροχιά (μεγάλης εκκεντρότητας, e = 0,882 στην περίπτωση της τελικής τροχιάς του Solar Probe), όπως είναι οι περιοδικοί κομήτες, το διαστημόπλοιο Solar Probe θα έχει πολύ μικρότερη ταχύτητα κοντά στο αφήλιο της τροχιάς του, όταν θα βρίσκεται σε απόσταση 109,3 εκατομμυρίων χιλιομέτρων από τον Ήλιο. Το τελικό επίπεδο της τροχιάς του σκάφους θα σχηματίζει γωνία 3,4 μοιρών με το επίπεδο της τροχιάς της Γης γύρω από τον Ήλιο (το επίπεδο της εκλειπτικής).
Το τέλος του σκάφους είναι προδιαγεγραμμένο: όταν τελειώσει το απόθεμα προωθητικών του, δεν θα μπορεί πλέον να περιστρέφεται με μεταβλητό τρόπο γύρω από τον άξονά του κατά τις διελεύσεις του από το περιήλιο της τροχιάς του, με αποτέλεσμα μέρος του ευαίσθητου σώματός του (και τελικά ολόκληρο) να μένει έξω από τη σκιά της προστατευτικής ασπίδας κοντά στο περιήλιο, οπότε θα λιώσει και θα διαλυθεί από τη θερμότητα του ηλιακού φωτός μέσα σε λιγότερο από ένα έτος.