Den här sommaren, NASA:s Parker Solar Probe kommer att lanseras för att resa närmare solen, djupare in i solatmosfären, än något tidigare uppdrag. Om jorden var i ena änden av en måttstock och solen på den andra, Parker Solar Probe kommer att klara sig inom fyra tum från solytan.

Inuti den delen av solatmosfären, en region som kallas corona, Parker Solar Probe kommer att ge oöverträffade observationer av vad som driver det breda utbudet av partiklar, energi och värme som går genom regionen – slungar partiklar utåt i solsystemet och långt förbi Neptunus.

Inne i corona, det är också, självklart, ofattbart varmt. Rymdfarkosten kommer att färdas genom material med temperaturer över en miljon grader Fahrenheit samtidigt som den bombarderas med intensivt solljus.

Så, varför smälter det inte?

Parker Solar Probe har designats för att klara de extrema förhållandena och temperaturfluktuationerna för uppdraget. Nyckeln ligger i dess anpassade värmesköld och ett autonomt system som hjälper till att skydda uppdraget från solens intensiva ljusemission, men tillåter det koronala materialet att "röra" rymdfarkosten.

Vetenskapen bakom varför det inte smälter

En nyckel till att förstå vad som håller rymdfarkosten och dess instrument säkra, är att förstå begreppet värme kontra temperatur. kontraintuitivt, höga temperaturer översätts inte alltid till att faktiskt värma ett annat föremål.

I rymden, temperaturen kan vara tusentals grader utan att ge nämnvärd värme till ett visst föremål eller känna sig varm. Varför? Temperaturen mäter hur snabbt partiklarna rör sig, medan värme mäter den totala mängden energi som de överför. Partiklar kan röra sig snabbt (hög temperatur), men om det är väldigt få av dem, de överför inte mycket energi (låg värme). Eftersom utrymmet för det mesta är tomt, det finns väldigt få partiklar som kan överföra energi till rymdfarkosten.

Corona genom vilken Parker Solar Probe flyger, till exempel, har en extremt hög temperatur men mycket låg densitet. Tänk på skillnaden mellan att sätta in handen i en varm ugn mot att sätta den i en kastrull med kokande vatten (prova inte det här hemma!) – i ugnen, din hand tål betydligt varmare temperaturer längre än i vattnet där den måste interagera med många fler partiklar. Liknande, jämfört med solens synliga yta, koronan är mindre tät, så rymdfarkosten interagerar med färre heta partiklar och tar inte emot så mycket värme.

Det betyder att medan Parker Solar Probe kommer att färdas genom ett utrymme med temperaturer på flera miljoner grader, ytan på värmeskölden som vetter mot solen kommer bara att värmas upp till cirka 2, 500 grader Fahrenheit (cirka 1, 400 grader Celsius).

Skölden som skyddar den

Självklart, tusentals grader Fahrenheit är fortfarande fantastiskt varmt. (För jämförelse, lava från vulkanutbrott kan vara någonstans mellan 1, 300 och 2, 200 F (700 och 1, 200 C) Och för att stå emot den värmen, Parker Solar Probe använder en värmesköld som kallas Thermal Protection System, eller TPS, som är 8 fot (2,4 meter) i diameter och 4,5 tum (cirka 115 mm) tjock. Dessa få tum av skydd betyder att precis på andra sidan av skölden, rymdfarkostens kropp kommer att sitta i bekväma 85 F (30 C).

TPS designades av Johns Hopkins Applied Physics Laboratory, och byggdes på Carbon-Carbon Advanced Technologies, med användning av ett kolkompositskum placerat mellan två kolplattor. Denna lätta isolering kommer att åtföljas av en finish av vit keramisk färg på den solvända plattan, för att reflektera så mycket värme som möjligt. Testad för att tåla upp till 3, 000 F (1, 650 C), TPS kan hantera all värme som solen kan skicka sin väg, håller nästan all instrumentering säker.

Bägaren som mäter vinden

Men inte alla Solar Parker Probe-instrument kommer att ligga bakom TPS.

Att sticka ut över värmeskölden, Solar Probe Cup är ett av två instrument på Parker Solar Probe som inte kommer att skyddas av värmeskölden. Detta instrument är vad som kallas en Faraday-kopp, en sensor designad för att mäta jon- och elektronflöden och flödesvinklar från solvinden. På grund av intensiteten i solatmosfären, unika teknologier måste konstrueras för att säkerställa att inte bara instrumentet kan överleva, men även elektroniken ombord kan skicka tillbaka korrekta avläsningar.

Själva koppen är gjord av skivor av titan-zirkonium-molybden, en legering av molybden, med en smältpunkt på ca 4, 260 F (2, 349 C). Chipsen som producerar ett elektriskt fält för Solar Probe Cup är gjorda av volfram, en metall med den högsta kända smältpunkten på 6, 192 F (3, 422 C). Normalt används lasrar för att etsa gallerlinjerna i dessa chips - men på grund av den höga smältpunkten var det nödvändigt att använda syra istället.

En annan utmaning kom i form av de elektroniska ledningarna – de flesta kablar skulle smälta av exponering för värmestrålning i så nära närheten av solen. För att lösa det här problemet, teamet odlade safirkristallrör för att hänga upp ledningarna, och gjorde ledningarna av niob.

För att säkerställa att instrumentet var redo för den tuffa miljön, forskarna behövde efterlikna solens intensiva värmestrålning i ett labb. För att skapa en testvärdig värmenivå, forskarna använde en partikelaccelerator och IMAX-projektorer – juryriggade för att öka temperaturen. Projektorerna efterliknade solens hetta, medan partikelacceleratorn exponerade koppen för strålning för att säkerställa att koppen kunde mäta de accelererade partiklarna under de intensiva förhållandena. För att vara helt säker på att Solar Probe Cup skulle klara den hårda miljön, Odeillos solugn – som koncentrerar solens värme genom 10, 000 justerbara speglar – användes för att testa koppen mot den intensiva solemissionen.

Solar Probe Cup klarade sina tester med råge – faktiskt, den fortsatte att prestera bättre och ge tydligare resultat ju längre den exponerades för testmiljöerna. "Vi tror att strålningen tog bort all potentiell kontaminering, "Justin Kasper, huvudutredare för SWEAP-instrumenten vid University of Michigan i Ann Arbor, sa. "Den städade i princip av sig själv."

Rymdskeppet som håller sig svalt

Flera andra konstruktioner på rymdfarkosten håller Parker Solar Probe skyddad från värmen. Utan skydd, solpanelerna – som använder energi från själva stjärnan som studeras för att driva rymdfarkosten – kan överhettas. Vid varje närmande till solen, solpanelerna dras tillbaka bakom värmesköldens skugga, lämnar bara ett litet segment som exponeras för solens intensiva strålar.

Men så nära solen, ännu mer skydd behövs. Solarrayerna har ett förvånansvärt enkelt kylsystem:en uppvärmd tank som hindrar kylvätskan från att frysa under lanseringen, två radiatorer som kommer att hålla kylvätskan från att frysa, aluminiumfenor för att maximera kylytan, och pumpar för att cirkulera kylvätskan. Kylsystemet är tillräckligt kraftfullt för att kyla ett medelstort vardagsrum, och kommer att hålla solpanelerna och instrumenteringen svala och fungerande medan de är i solens hetta.

Kylvätskan som används för systemet? Ungefär en gallon (3,7 liter) avjoniserat vatten. Även om det finns massor av kemiska kylmedel, temperaturintervallet rymdfarkosten kommer att utsättas för varierar mellan 50 F (10 C) och 257 F (125 C). Mycket få vätskor kan hantera dessa områden som vatten. För att förhindra att vattnet kokar vid den högre änden av temperaturerna, det kommer att trycksättas så att kokpunkten är över 257 F (125 C).

Ett annat problem med att skydda alla rymdfarkoster är att ta reda på hur man kommunicerar med den. Parker Solar Probe kommer i stort sett att vara ensam på sin resa. Det tar ljus åtta minuter att nå jorden – vilket betyder om ingenjörer var tvungna att kontrollera rymdfarkosten från jorden, när något gick fel skulle det vara för sent att rätta till det.

Så, rymdfarkosten är designad för att självständigt hålla sig säker och på väg mot solen. Flera sensorer, ungefär hälften så stor som en mobiltelefon, är fästa vid rymdfarkostens kropp längs kanten av skuggan från värmeskölden. Om någon av dessa sensorer upptäcker solljus, de larmar den centrala datorn och rymdfarkosten kan korrigera sin position för att behålla sensorerna, och resten av instrumenten, säkert skyddad. Allt detta måste ske utan mänsklig inblandning, så den centrala datormjukvaran har programmerats och testats omfattande för att säkerställa att alla korrigeringar kan göras i farten.

Lanserar mot solen

Efter lanseringen, Parker Solar Probe kommer att upptäcka solens position, rikta in den termiska skyddsskölden mot den och fortsätt resan under de kommande tre månaderna, omfamnar solens värme och skyddar sig från rymdens kalla vakuum.

Under loppet av sju år av planerad uppdragslängd, rymdfarkosten kommer att göra 24 omlopp av vår stjärna. Vid varje närmande till solen kommer den att prova solvinden, studera solens korona, och ger oöverträffade närbilder från vår stjärna – och beväpnade med dess mängd innovativa teknologier, vi vet att det kommer att hålla sig svalt hela tiden.