Tàu thăm dò vũ trụ Parker Solar Probe của NASA sẽ ra mắt công chúng vào mùa hè này trong một kế hoạch tiếp cận ở khoảng cách 5.9 triệu kilomet so với quang quyển của Mặt Trời.

Bên trong khí quyển mặt trời có một khu vực được gọi là corona, Parker Solar Probe sẽ cung cấp những quan sát chưa từng có về nguyên nhân thúc đẩy nhiều hạt, năng lượng và nhiệt tỏa ra khắp khu vực này.

Tất nhiên bên trong vùng corona cũng có sức nóng không thể tưởng tượng nổi. Tàu vũ trụ thăm dò sẽ phải di chuyển qua khu vực có nhiệt độ lớn hơn hơn 500,000 độ C trong khi bị bắn phá với tia mặt trời ở cường độ cao.

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

Parker Solar Probe đã được thiết kế để chịu được các điều kiện khắc nghiệt và biến động nhiệt độ cho nhiệm vụ của mình. Tàu có chứa bên trong một lá chắn nhiệt tùy chỉnh và một hệ thống tự động giúp bảo vệ nó khỏi sự phát xạ ánh sáng cường độ cao của Mặt trời mà vẫn cho phép vật chất của vùng corona tác động tới thân tàu.

Lý giải khoa học

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.

Tàu thăm dò đang được thử nghiệm trong phòng nghiên cứu Astrotech của NASA (Ảnh: phys.org)

Ví dụ như khu vực corona mà Parker Solar Probe bay qua có nhiệt độ rất cao nhưng mật độ hạt lại rất thấp. Hãy nghĩ đến sự khác biệt giữa việc đặt tay vào lò nóng và đặt nó vào nồi nước sôi (đừng thử ở nhà!) – trong lò, tay bạn có thể chịu được nhiệt độ nóng hơn đáng kể với thời gian lâu hơn là ở trong nước vì nó phải tương tác với nhiều hạt hơn. Tương tự, so với bề mặt nhìn thấy được của mặt trời, corona ít dày đặc hơn, do đó tàu vũ trụ tương tác với ít hạt nóng hơn và không phải nhận nhiều nhiệt.

Điều đó có nghĩa là trong khi Parker Solar Probe sẽ di chuyển qua một không gian với nhiệt độ vài triệu độ, bề mặt của tấm chắn nhiệt đối mặt với Mặt Trời sẽ chỉ được làm nóng đến khoảng 1400 độ C.

Lá chắn bảo vệ

Tất nhiên, 1400 độ C vẫn là mức nhiệt độ cực kỳ nóng bỏng (nóng hơn dung nham từ núi lửa phun trào). Và để chịu được nhiệt đó, Parker Solar Probe sử dụng lá chắn nhiệt được gọi là Hệ thống bảo vệ nhiệt (Thermal Protection System – TPS) có đường kính 2,4m và dày 115mm. Tấm lá chắn này khiến thân tàu vũ trụ sẽ chỉ phải chịu mức nhiệt độ 30 độ C.

Tấm chắn nhiệt TPS (Ảnh: phys.org)

TPS được thiết kế bởi Phòng thí nghiệm Vật lý Ứng dụng Johns Hopkins và được xây dựng tại cơ sở Carbon-Carbon Advanced Technologies, sử dụng một hợp chất bọt carbon kẹp giữa hai tấm carbon. Lớp cách nhiệt nhẹ này sẽ đi kèm với lớp sơn gốm màu trắng ở bề mặt tiếp xúc bên ngoài để phản quang càng nhiều nhiệt càng tốt. Được thử nghiệm để chịu được tới mức nhiệt độ 1650 độ C, TPS có thể xử lý bất kỳ mức nhiệt nào mà Mặt Trời có thể phóng ra, giữ cho hầu như tất cả các thiết bị được an toàn.

Cốc đo gió

Không phải tất cả các dụng cụ của Solar Parker Probe đều được bảo vệ phía sau TPS.

Solar Probe Cup là một trong hai công cụ trên Parker Solar Probe sẽ không được bảo vệ bởi lá chắn nhiệt. Dụng cụ này được gọi là cốc Faraday, một cảm biến được thiết kế để đo ion, các dòng điện tử và các góc chảy từ gió mặt trời. Do cường độ của khí quyển mặt trời, các công nghệ độc đáo đã được thiết kế để đảm bảo rằng không chỉ các dụng cụ này có thể tồn tại mà cả các thiết bị điện tử trên tàu có thể gửi về các phân tích một cách chính xác.

Bản thân cốc được làm từ các tấm Titanium-Zirconium-Molybdenum, một hợp kim molypđen, có điểm nóng chảy khoảng 2349 độ C. Các con chip tạo ra một điện trường cho Solar Probe Cup được làm từ vonfram, một kim loại có điểm nóng chảy cao nhất được biết đến là 3422 độ C. Thông thường, laser được sử dụng để khắc các đường lưới trong những con chip này – tuy nhiên do điểm nóng chảy cao, axit đã được sử dụng để thay thế.

Cốc đo gió SPC (Ảnh: Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics)

Một thách thức khác là dây điện tử – hầu hết các dây cáp sẽ tan chảy khi tiếp xúc với bức xạ nhiệt ở gần Mặt Trời. Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu đã phát triển các ống tinh thể sapphire để treo hệ thống dây điện và tạo ra các sợi dây từ niobi.

Để đảm bảo thiết bị đã sẵn sàng cho môi trường khắc nghiệt, các nhà nghiên cứu đã mô phỏng bức xạ nhiệt mạnh của Mặt trời trong phòng thí nghiệm. Để tạo ra một mức nhiệt đáng thử nghiệm, các nhà nghiên cứu đã sử dụng một máy gia tốc hạt và máy chiếu IMAX để làm tăng nhiệt độ của chúng. Các máy chiếu mô phỏng lại nhiệt của mặt trời, trong khi máy gia tốc hạt tiếp xúc với cốc để bức xạ nhằm mục đích đảm bảo rằng cốc có thể đo các hạt gia tốc trong điều kiện cường độ cao. Để chắc chắn rằng Solar Probe Cup sẽ chịu được môi trường khắc nghiệt, Lò năng lượng mặt trời Odeillo (tập trung sức nóng của mặt trời thông qua 10.000 gương điều chỉnh) được sử dụng để kiểm tra cốc chống lại phát xạ mặt trời cường độ cao.

Solar Probe Cup đã vượt qua các thử nghiệm và cho kết quả rõ ràng hơn khi nó tiếp xúc với môi trường thử nghiệm. Justin Kasper, điều tra viên chính cho các công cụ SWEAP tại Đại học Michigan ở Ann Arbor cho biết: “Chúng tôi nghĩ rằng bức xạ loại bỏ bất kỳ ô nhiễm tiềm năng nào. Về cơ bản nó tự làm sạch.”

Khả năng tự làm mát

Một số thiết kế khác trên tàu vũ trụ giữ cho Parker Solar Probe được che chở khỏi cái nóng. Nếu không có sự bảo vệ, các tấm pin mặt trời có thể bị quá nóng. Trong mỗi lần tiếp cận với Mặt trời, 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 đơn giản đáng ngạc nhiên: một bồn nước nóng giữ cho chất làm mát không bị đóng băng trong quá trình phóng, hai bộ tản nhiệt sẽ giữ chất làm mát không bị đóng băng, vây nhôm để tối đa hóa bề mặt làm mát và bơm để tuần hoàn chất làm mát. Hệ thống làm mát đủ mạnh để làm mát một phòng khách có kích thước trung bình và 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.

Parker Solar Probe là sứ mệnh tiếp cận Mặt trời gần nhất từ trước tới nay (Ảnh: Space.com)

Một vấn đề khác với việc bảo vệ bất kỳ tàu vũ trụ nào là tìm ra cách giao tiếp với nó. Parker Solar Probe sẽ phần lớn là đi một mình trên hành trình của mình. Phải mất tám phút ánh sáng mới đến được Trái Đất, điều này có nghĩa là nếu các kỹ sư phải điều khiển phi thuyền từ Trái đất thì vào thời điểm có sự cố, sẽ không đủ thời gian để sửa nó.

Vì vậy, tàu vũ trụ được thiết kế để tự chủ giữ an toàn và đi đúng hướng đến Mặt Trời. Một số cảm biến bằng một nửa kích thước của một chiếc điện thoại di động được gắn vào thân của tàu vũ trụ. Nếu bất kỳ cảm biến nào trong số này phát hiện ánh sáng mặt trời, chúng sẽ cảnh báo cho máy tính trung tâm và tàu vũ trụ có thể điều chỉnh vị trí của nó để giữ các cảm biến và các thiết bị còn lại được bảo vệ an toàn. Việc này diễn ra một cách tự động mà không có bất kỳ sự can thiệp của con người, do đó, phần mềm máy tính trung tâm đã được lập trình và kiểm tra để đảm bảo tất cả các chỉnh sửa có thể được thực hiện trong quá trình bay.

Thẳng tiến tới Mặt trời

Sau khi phóng, Parker Solar Probe sẽ phát hiện vị trí của Mặt Trời, sắp xếp lá chắn bảo vệ nhiệt để đối mặt với nó và tiếp tục hành trình trong ba tháng tiếp theo, đón nhận sức nóng của Mặt Trời và bảo vệ bản thân khỏi nhiệt độ lạnh của không gian.

Trong suốt thời gian bảy năm của nhiệm vụ đã lên kế hoạch, phi thuyền sẽ tạo ra 24 quỹ đạo bay. Trên mỗi phương pháp tiếp cận gần mặt trời, nó sẽ lấy mẫu gió mặt trời, nghiên cứu corona của Mặt trời và cung cấp các quan sát gần như chưa từng thấy từ xung quanh ngôi sao của chúng ta. Với các phương pháp làm mát tiên tiến này, chúng ta có thể yên tâm tàu vũ trụ thăm dò Parker Solar Probe sẽ có thể thực hiện trọn vẹn sứ mệnh của mình.

Nhật Quang