Menuju Matahari: Mengapa Parker Solar Probe Tidak Meleleh

Ilustrasi Parker Solar Probe mengelilingi Matahari.
Kredit: NASA/JHUAPL

Musim panas ini, pesawat antariksa Parker Solar Probe NASA telah diluncurkan untuk menempuh perjalanan mendekati Matahari daripada misi-misi sebelumnya, bahkan hingga menyentuh atmosfer Matahari. Jika posisi Bumi berada di salah satu ujung tongkat yang panjangnya 1 yard (91 cm) dan Matahari di ujung sisi yang lain, maka jarak Parker dari permukaan Matahari adalah 10 cm.

Di dalam atmosfer Matahari terdapat sebuah wilayah yang disebut korona, Parker akan melakukan pengamatan bersejarah terhadap proses yang mendorong berbagai partikel, energi, dan panas yang melintasi korona dan melemparkan partikel ke tata surya jauh melampaui Neptunus.

Tentu saja tak terbayangkan suhu panas di dalam korona. Parker akan menempuh perjalanan melintasi material dengan suhu lebih dari satu juta derajat Fahrenheit, sekaligus dibombardir radiasi intens dari Matahari.

Lantas, mengapa Parker Solar Probe tidak meleleh?

Parker telah dirancang untuk bertahan menghadapi kondisi ekstrem dan fluktuasi suhu selama misi. Kuncinya terletak pada pelindung panas khusus dan sistem otonom yang membantu melindungi misi dari radiasi intens sinar matahari, meskipun material koronal “menyentuh” ​​pesawat antariksa.

Parker Solar Probe menuju Matahari. Mengapa ia tidak meleleh? Betsy Congdon, insinyur Sistem Perlindungan Termal dari Laboratorium Fisika Terapan Universitas Johns Hopkins menguraikan mengapa Parker dapat bertahan menghadapi suhu panas ekstrem.

Kredit: Pusat Penerbangan Antariksa Goddard NASA

Sains di Balik Itu

Salah satu kunci untuk memahami mengapa pesawat antariksa dan seluruh instrumen tetap aman, kita harus memahami konsep antara panas dengan suhu. Secara terus menerus, suhu tinggi tidak selalu berarti akan benar-benar memanaskan sebuah objek.

Di ruang angkasa, suhu bisa mencapai ribuan derajat tanpa memberikan panas yang signifikan terhadap sebuah objek. Mengapa? Suhu mengukur seberapa cepat partikel bergerak, sedangkan panas mengukur jumlah total energi yang ditransfer. Partikel mungkin bergerak cepat (suhu tinggi), tetapi jika jumlahnya sangat sedikit, mereka tidak mentransfer banyak energi (panas rendah). Karena sebagian besar ruang angkasa itu hampa, sangat sedikit partikel yang dapat mentransfer energi panas terhadap pesawat antariksa.

Korona yang dilalui oleh Parker Solar Probe, misalnya, memiliki suhu yang sangat tinggi, tetapi kepadatannya sangat rendah. Bayangkan perbedaan antara meletakkan tangan kita di oven panas dibandingkan memasukkan tangan ke dalam panci berisi air mendidih (jangan coba ini di rumah!) Di dalam oven, tangan kita dapat menahan suhu panas lebih lama daripada di dalam air mendidih yang berinteraksi dengan lebih banyak partikel. Demikian pula dengan wilayah korona yang kurang padat jika dibandingkan permukaan Matahari. Pesawat antariksa hanya akan berinteraksi dengan sedikit partikel panas, jadi tidak akan menerima banyak energi panas.

Meskipun Parker mengarungi antariksa dengan suhu mencapai beberapa juta derajat, permukaan perisai panas yang menghadap Matahari hanya akan terpapar suhu panas sekitar 1.400 derajat Celsius.

Pelindung panas Parker Solar Probe terdiri dari dua panel komposit karbon super panas yang mengapit inti busa karbon setebal 11,5 cm. Untuk memantulkan sebanyak mungkin energi Matahari dari pesawat antariksa, sisi pelindung panas yang menghadap ke Matahari juga disemprot dengan lapisan putih yang diformulasikan khusus.
Kredit: NASA/Laboratorium Fisika Terapan Johns Hopkins/Ed Whitman

Perisai Pelindung

Tentu saja, ribuan derajat Celsius masih tergolong luar biasa panas. Sebagai perbandingan, suhu lava dari letusan gunung berapi dapat mencapai 700-1.200^o Celsius. Untuk menahan panas, Parker Solar Probe menggunakan perisai panas yang disebut Sistem Perlindungan Termal setebal 11,5 cm dengan diameter 2,4 meter. Beberapa cm perisai yang menghadap Matahari akan memberikan perlindungan bagi sisi lain perisai, yaitu badan pesawat antariksa yang tetap nyaman dengan suhu 30^o Celsius.

Sistem Perlindungan Termal dirancang oleh Laboratorium Fisika Terapan Johns Hopkins dan diproduksi di Carbon-Carbon Advanced Technologies menggunakan busa komposit karbon yang diapit di antara dua lempeng karbon. Isolasi berbobot ringan ini juga disemprot dengan cat keramik putih di pelat yang menghadap Matahari untuk memantulkan sebanyak mungkin panas. Diuji untuk menahan panas hingga 1.650 ^oC, Sistem Perlindungan Termal dapat menahan panas Matahari dan menjaga hampir semua instrumen tetap aman.

Insinyur Betsy Congdon dari Laboratorium Fisika Terapan Johns Hopkins adalah desainer perisai panas agar Parker tetap terlindung dari panas Matahari. Perisai yang sangat kuat, Congdon menggunakan obor untuk memanaskan satu sisi, sementara sisi lainnya tetap dingin saat disentuh.

Kredit: Pusat Penerbangan Antariksa Goddard NASA

Sangkar Pengukur Angin

Namun tidak semua instrumen Parker akan berada di belakang Sistem Perlindungan Termal.

Dua instrumen Parker tidak dilindungi oleh perisai panas. Salah satunya adalah sangkar Faraday yang menempel di atas perisai panas, sebuah sensor yang dirancang untuk mengukur aliran ion dan elektron, dan sudut aliran angin surya. Karena intensitas atmosfer Matahari, rekayasa teknologi harus memastikan seluruh instrumen dan perangkat elektronik dapat mengirim kembali data untuk dianalisis.

Sangkar terbuat dari lembaran Titanium-Zirconium-Molybdenum, perpaduan molibdenum dengan titik lebur sekitar 2.349 ^oC. Jaringan listrik yang menghasilkan medan listrik untuk sangkar Solar Probe terbuat dari tungsten, sebuah logam dengan titik leleh tertinggi 3.422 ^oC. Biasanya laser digunakan untuk menoreh garis kisi untuk jaringan listrik ini, namun karena titik leleh yang tinggi, para insinyur harus menggunakan asam sebagai pengganti laser.

Tantangan lainnya adalah kabel elektronik, yang akan meleleh karena paparan radiasi panas Matahari. Untuk mengatasi masalah ini, tim mengembangkan tabung kristal safir untuk memperkuat kabel dan membuat kabel dari bahan niobium.

Untuk memastikan instrumen siap beroperasi di lingkungan yang ganas, para peneliti melakukan eksperimen di laboratorium untuk meniru radiasi panas intens. Untuk menciptakan tingkat panas yang layak uji, para peneliti menggunakan akselerator partikel dan proyektor IMAX yang dirancang untuk meningkatkan suhu. Proyektor meniru suhu panas Matahari, sementara sangkar Faraday terpapar radiasi dari akselerator partikel. Eksperimen menguji sangkar untuk mengukur akselerasi partikel di bawah kondisi lingkungan yang ekstrem. Untuk memastikan Solar Probe Cup tahan uji, Odeillo Solar Furnace yang memusatkan panas Matahari melalui 10.000 cermin, digunakan untuk menguji sangkar terhadap radiasi intens Matahari.

Sangkar Solar Probe lulus dalam uji warna penerbangan, menunjukkan performa prima dan memberikan hasil yang lebih jelas jika semakin lama terpapar uji coba lingkungan radiasi intens. “Kami rasa radiasi menghilangkan kontaminasi potensial,” jelas Justin Kasper, peneliti utama instrumen SWEAP dari Universitas Michigan di Ann Arbor. “Pada dasarnya seperti membersihkan dirinya sendiri.”

Pada hari Selasa tanggal 05 Juni 2018 di fasilitas pemrosesan Astrotech di Titusville, Florida, dekat Kennedy Space Center NASA, teknisi dan insinyur melakukan uji coba batang ringan Parker Solar Probe. Pesawat antariksa ini telah diluncurkan menggunakan roket United Launch Alliance Delta IV Heavy dari Space Launch Complex 37 di Cape Canaveral Air Force Station di Florida. Parker mengemban misi untuk mengamati Matahari saat melintasi korona. Parker mengandalkan pengukuran dan pencitraan untuk merevolusi pemahaman kita tentang korona dan relasi Matahari-Bumi.
Kredit: NASA/Glenn Benson

Suhu Dingin Pesawat Antariksa

Beberapa desain lain juga berperan agar menjaga Parker terlindung dari panas. Tanpa perlindungan, panel surya yang memanfaatkan energi dari Matahari untuk menggerakkan pesawat antariksa, dapat terpapar suhu yang terlalu panas. Setiap kali mendekati Matahari, struktur panel surya memendek di belakang bayangan pelindung panas dan hanya menyisakan sedikit segmen kecil agar tetap terpapar cahaya intens Matahari.

Semakin banyak perlindungan yang dibutuhkan saat terpisah sedekat itu dari Matahari. Struktur panel surya dilengkapi sistem pendingin yang sangat sederhana, yaitu sebuah tangki pemanas yang menjaga pendingin untuk membeku selama peluncuran. Dua radiator akan mencegah sistem pendingin untuk membeku, sirip aluminium memaksimalkan permukaan pendingin, dan pompa untuk mensirkulasi pendingin. Sistem pendingin cukup kuat untuk mendinginkan ruang seluas ruang tamu, menjaga panel surya dan rangkaian instrumen untuk tetap dingin dan berfungsi saat menghadapi panas Matahari.

Pendingin yang digunakan untuk sistem adalah sekitar satu galon (3,7 liter) air deionisasi. Selama cairan pendingin tetap ada, kisaran suhu pesawat antariksa akan bervariasi antara 10-125 ^oC. Untuk menjaga agar tidak mendidih pada suhu yang lebih tinggi, maka air deionisasi akan mendapatkan tekanan sehingga titik didihnya melampaui 125 ^oC.

Jalinan komunikasi antara Parker dan tim kendali misi juga harus selalu terjaga. Sebagian besar durasi misi mengharuskan Parker untuk mandiri. Dibutuhkan delapan menit cahaya bagi Parker untuk berkomunikasi dengan Bumi. Jika para insinyur harus terus mengendalikan Parker dari Bumi, pada saat terjadi sesuatu yang tidak diharapkan, akan terlambat untuk segera memperbaikinya.

Jadi Parker dirancang untuk beroperasi secara otonom dan menjaga diri agar tetap aman di jalur menuju Matahari. Beberapa sensor, sekitar setengah ukuran ponsel, melekat pada tubuh pesawat antariksa di sepanjang tepi bayangan perisai panas. Jika salah satu sensor mendeteksi cahaya Matahari, mereka memperingatkan komputer pusat agar Parker segera memperbaiki posisinya, sehingga sensor dan seluruh instrumen tetap terlindung dengan aman. Semua proses ini berlangsung tanpa campur tangan manusia, sehingga perangkat lunak komputer pusat telah diprogram dan diuji secara ekstensif untuk memastikan semua koreksi dapat dilakukan dengan cepat.

Peluncuran Menuju Matahari

Setelah peluncuran, Parker Solar Probe akan mendeteksi posisi Matahari, menyelaraskan perisai perlindungan termal untuk menghadap Matahari dan melanjutkan perjalanannya selama tiga bulan ke depan, merasakan panas Matahari dan melindungi diri dari ruang angkasa hampa yang dingin.

Selama tujuh tahun durasi misi yang direncanakan, Parker akan melakukan 24 orbit mengitari bintang kita. Setiap mendekati Matahari, Parker akan mengambil sampel angin surya, mempelajari korona dan melakukan pengamatan dari jarak dekat. Dipersenjatai oleh perangkat teknologi inovatif, Parker Solar Probe akan bertahan menghadapi "sentuhan" Matahari.

Ditulis oleh: Susannah Darling, Markas Besar NASA, Washington, www.nasa.gov, editor: Rob Garner

Sumber: Traveling to the Sun: Why Won’t Parker Solar Probe Melt?

Artikel terkait: Parker Solar Probe, Misi Antariksa Menyentuh Matahari

#terimakasihgoogle dan #terimakasihnasa