Musim panas ini, NASA Solar Probe akan diluncurkan untuk melakukan perjalanan lebih dekat menuju Matahari, dibandingkan misi sebelumnya, kali ini lebih dalam lagi hingga menembus atmosfer matahari. Jika Bumi berada di salah satu ujung meteran-kayu dan Matahari di ujung yang lain, Parker Solar Probe akan membuatnya bergeser menjadi 10 cm ke permukaan matahari.
Di dalam bagian atmosfer matahari itu, sebuah wilayah yang dikenal sebagai korona, Parker Solar Probe akan memberikan pengamatan yang belum pernah terjadi sebelumnya tentang apa yang menyebabkan berbagai partikel, energi, dan panas yang tentu saja melintasi kawasan itu – melemparkan partikel keluar menuju tata surya dan jauh melintasi Neptunus.
Di dalam korona, tentu saja, tidak terbayangkan panasnya. Pesawat ruang angkasa akan melakukan perjalanan melewati materi dengan suhu lebih dari 555000 derajat Celcius sambil dibombardir dengan sinar matahari yang intens.
Lalu, mengapa tidak meleleh?
Parker Solar Probe telah dirancang untuk tahan terhadap kondisi ekstrim dan fluktuasi suhu dalam menjalankan misinya. Kuncinya terletak pada pelindung panas khusus dan sistem otonom yang membantu melindungi misi dari pancaran sinar matahari yang intens, tetapi memungkinkan material koronal untuk “menyentuh” pesawat ruang angkasa tersebut.
Sains di Balik Mengapa Tidak Akan Meleleh
Salah satu kunci untuk memahami apa yang membuat pesawat luar angkasa dan instrumennya aman, adalah memahami konsep panas versus suhu. Secara kontinyu, suhu tinggi tidak selalu berarti benar-benar memanaskan objek lain.
Di ruang angkasa, suhu bisa ribuan derajat tanpa memberikan panas yang signifikan ke objek yang terpapar atau merasa panas. Mengapa? Suhu mengukur seberapa cepat partikel bergerak, sedangkan panas mengukur jumlah total energi yang ditransfernya. Partikel mungkin bergerak cepat (suhu tinggi), tetapi jika jumlahnya sangat sedikit, mereka tidak akan mentransfer banyak energi (panas rendah). Karena ruang angkasa sebagian besar kosong, hanya sedikit partikel saja yang dapat mentransferkan energi ke pesawat ruang angkasa.
Korona yang dilalui Parker Solar Probe, misalnya, memiliki suhu yang sangat tinggi tetapi kepadatannya sangat rendah. Pikirkan perbedaan antara meletakkan tangan Anda di oven panas dibandingkan memasukkannya ke dalam panci berisi air mendidih (jangan coba ini di rumah!) – di dalam oven, tangan Anda dapat menahan suhu yang lebih panas secara signifikan lebih lama daripada di dalam air di mana tangan harus berinteraksi dengan lebih banyak partikel. Demikian pula, dibandingkan dengan permukaan Matahari yang terlihat, korona kurang padat, sehingga pesawat ruang angkasa berinteraksi dengan lebih sedikit partikel panas dan tidak menerima banyak panas.
Itu berarti bahwa sementara Parker Solar Probe akan melakukan perjalanan melalui ruang angkasa dengan suhu beberapa ratus ribu derajat, permukaan perisai panas yang menghadap Matahari hanya akan terpanaskan hingga sekitar 1.400 derajat Celsius saja.
Perisai yang Melindunginya
Tentu saja, ribuan derajat Celcius masih luar biasa panasnya. (Sebagai perbandingan, lava dari letusan gunung berapi bisa berada di antara 700 hingga 1.200 °C . Dan untuk menahan panas itu, Parker Solar Probe menggunakan perisai panas yang dikenal sebagai Thermal Protection System, atau TPS, yang merupakan dengan diameter 2,4 meter dan ketebalan sekitar 115 cm. Beberapa ratus centimeter perlindungan tersebut hanyalah berada di sisi lain dari perisai, badan pesawat ruang angkasa sendiri akan berada pada suhu 30 °C yang cukup nyaman.
TPS dirancang oleh Laboratorium Fisika Terapan Johns Hopkins, dan dibangun di Carbon-Carbon Advanced Technologies, menggunakan busa komposit karbon yang diapit di antara dua lempeng karbon. Isolasi ringan ini akan disertai dengan sentuhan akhir cat keramik putih pada pelat yang menghadap ke matahari, untuk memantulkan panas sebanyak mungkin. Diuji untuk menahan hingga 1.650 °C, TPS dapat menangani panas apa pun yang dapat dikirimkan Matahari, menjaga hampir semua instrumentasi tetap dalam keadaan aman.
Mengukur Badai
Namun tidak semua instrumen Solar Parker Probe akan berada di belakang TPS.
Menempel pada perisai panas, Solar Probe Cup adalah salah satu dari dua instrumen di Parker Solar Probe yang tidak akan dilindungi oleh perisai panas. Instrumen ini adalah apa yang dikenal sebagai Faraday Cup, sebuah sensor yang dirancang untuk mengukur fluks ion dan elektron dan sudut aliran dari badai matahari. Karena intensitas atmosfer matahari, teknologi unik harus direkayasa untuk memastikan bahwa tidak hanya instrumen yang dapat bertahan, tetapi juga elektronik pesawat dapat mengirim kembali pembacaan yang akurat.
Cup itu sendiri terbuat dari lembaran Titanium-Zirconium-Molybdenum, sejenis logam molibdenum alloy, dengan titik lebur sekitar 2.349 C. Chip yang menghasilkan medan listrik untuk Solar Probe Cup terbuat dari tungsten, logam dengan titik leleh tertinggi yang diketahui 3.422 C. Biasanya laser digunakan untuk menoreh kisi-kisi garis di chip ini – namun karena titik leleh yang tinggi asam harus digunakan sebagai gantinya.
Tantangan lain datang dalam bentuk kabel elektronik – kebanyakan kabel akan meleleh dari paparan radiasi panas pada jarak sedekat itu dengan Matahari. Untuk mengatasi masalah ini, tim mengembangkan tabung kristal safir untuk menangguhkan kabel, dan membuat kabel dari bahan niobium.
Untuk memastikan instrumen siap untuk lingkungan yang keras, para peneliti perlu untuk meniru radiasi panas intens Matahari di laboratorium. Untuk menciptakan tingkat panas yang patut diuji, para peneliti menggunakan akselerator partikel dan proyektor IMAX – yang dirancang untuk meningkatkan suhu mereka. Proyektor menirukan panasnya Matahari, sementara akselerator partikel memaparkan radiasi pada Cup untuk memastikan Cup dapat mengukur partikel yang dipercepat di bawah kondisi yang intens. Agar benar-benar yakin bahwa Solar Probe Cup akan tahan terhadap lingkungan yang keras, Odeillo Solar Furnace – yang memusatkan panas Matahari melalui 10.000 cermin yang dapat disesuaikan – digunakan untuk menguji Cup terhadap pancaran matahari yang intens.
Solar Probe Cup berhasil melewati pengujian – semakin tampil lebih baik dan memberikan hasil yang lebih jelas selama terkena lingkungan pengujian. “Kami pikir radiasi menghilangkan kontaminasi potensial,” Justin Kasper, peneliti utama untuk instrumen SWEAP di University of Michigan di Ann Arbor, mengatakan. “Pada dasarnya membersihkan dirinya sendiri.”
Pesawat Ruang Angkasa Tetap Dingin
Beberapa desain lain pada pesawat ruang angkasa membuat Parker Solar Probe terlindung dari panas. Tanpa perlindungan, panel surya – yang menggunakan energi dari bintang yang sedang dipelajari untuk menggerakkan pesawat ruang angkasa – dapat menjadi terlalu panas. Pada setiap pendekatan ke Matahari, array surya menarik kembali naungan perisai panas, menyisakan hanya sebagian kecil yang terkena sinar matahari yang intens.
Tapi saat dekat dengan Matahari, lebih banyak perlindungan diperlukan. Array surya memiliki sistem pendinginan yang sangat sederhana: tangki yang dipanaskan yang menjaga pendingin dari pembekuan selama peluncuran, dua radiator yang akan menjaga pendingin dari pembekuan, sirip aluminium untuk memaksimalkan permukaan pendinginan, dan pompa untuk mengedarkan pendingin. Sistem pendingin cukup kuat untuk mendinginkan ruang tamu berukuran rata-rata, dan akan menjaga susunan matahari dan instrumentasi tetap dingin dan berfungsi saat berada di panas Matahari.
Bagaimana pendingin yang digunakan untuk sistem?
Sekitar satu galon (3,7 liter) air deionisasi. Sementara terdapat banyak pendingin kimia, kisaran suhu pesawat ruang angkasa akan terkena bervariasi antara 10 hingga 125 C. Sangat sedikit cairan yang bisa menangani rentang tersebut seperti air. Untuk menjaga agar air tidak mendidih pada suhu yang lebih tinggi, akan ditambahkan tekanan sehingga titik didihnya lebih dari 125 C.
Masalah lain dengan melindungi pesawat luar angkasa adalah mencari tahu cara berkomunikasi dengannya. Parker Solar Probe sebagian besar akan sendirian dalam perjalanannya. Dibutuhkan cahaya delapan menit untuk mencapai Bumi – yang berarti jika para insinyur harus mengendalikan pesawat ruang angkasa dari Bumi, pada saat ada yang salah itu akan terlambat untuk memperbaikinya.
Jadi, pesawat ruang angkasa dirancang untuk secara mandiri menjaga dirinya aman dan tetap di jalur terhadap Matahari. Beberapa sensor, sekitar setengah ukuran ponsel, melekat pada tubuh pesawat ruang angkasa di sepanjang tepi bayangan dari perisai panas. Jika salah satu dari sensor ini mendeteksi sinar matahari, mereka memperingatkan komputer pusat dan pesawat ruang angkasa dapat memperbaiki posisinya untuk menjaga sensor, dan sisa instrumen, terlindung dengan aman. Ini semua harus terjadi 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 menghadapinya dan melanjutkan perjalanannya selama tiga bulan ke depan, merangkul panas Matahari dan melindungi diri dari ruang hampa yang dingin.
Selama tujuh tahun durasi misi yang direncanakan, pesawat ruang angkasa akan membuat 24 orbit bintang kita. Pada setiap pendekatan dekat dengan Matahari, ia akan mengambil sampel badai matahari, mempelajari korona Matahari, dan memberikan pengamatan yang belum pernah terjadi sebelumnya dari sekitar bintang kita – dan dilengkapi dengan berbagai teknologi inovatif, kita tahu itu akan tetap tenang sepanjang waktu.
Susannah Darling
NASA Headquarters, Washington
