Lug 23

Parker Solar Probe: andiamo a “toccare” il Sole **

Questo articolo riguarda una fantastica missione della NASA che partirà tra pochi giorni (non prima del 6 agosto, comunque) e andrà letteralmente a sfiorare il Sole, penetrando all’interno della corona, dove la temperatura supera il milione di Kelvin. In altre parole, l’articolo è anche la risposta al quiz sulla missione aliena, leggermente più rischiosa…

 

Questo il testo del quiz:

Dal diario di bordo dell'astronave aliena GX134 proveniente dal sistema planetario di Proxima Centauri:

"... La nostra missione spaziale è diretta verso la stella Sole. L'equipaggio conosce benissimo la temperatura superficiale della stella (circa 5800 K) e ha preso tutte le contromisure per raggiungerla in completa sicurezza. Ovviamente, nessuna speranza di entrare all'interno di quell'enorme massa di plasma, che nel nucleo raggiunge temperature troppo alte anche per la nostra navicella: quasi 14 milioni Kelvin, valore ben 1000 volte superiore a quello sopportabile dai nostri scudi di protezione. Senza alcun  problema siamo, comunque, riusciti a raggiungere la fotosfera, punto di arrivo della missione. Un'esperienza veramente eccitante e unica!... "

Siamo sicuri che il capitano abbia veramente scritto la verità? Il messaggio solleva qualche dubbio nei terrestri ...

 

Soluzione

La missione aliena fino alla fotosfera sarebbe possibile, dati i limiti di sopportabilità ammessi, anche se la risposta affermativa si basa su valori medi e comporta, comunque, qualche rischio…

Il punto essenziale della missione aliena e di Parker Solar Probe si basa sulla differenza, spesso poco considerata o travisata, tra calore e temperatura. Ne approfittiamo per metterla dovutamente in evidenza…

Se considerassimo la distanza tra Terra e Sole pari a 100 metri, la navicella si spingerebbe fino a 10 cm dalla nostra stella: niente male davvero!

Lo scopo principale è quello di comprendere appieno il processo che causa una così alta temperatura, non dimenticando che quella della fotosfera, la superficie visibile normalmente del Sole, è soltanto di 5800 K. Un milione di gradi… ma com’è possibile che la sonda non fonda per il terribile calore? Proprio qui sta il nocciolo del quiz e della missione: il calore e la temperatura sono due “cose” nettamente diverse. D’altra parte, il primo si misura in Joule e la seconda in gradi.

Il calore è un trasferimento di energia ed è proprio ciò che “scalda”. La temperatura è, invece, un’indicazione dell’agitazione (energia cinetica) delle particelle che compongono il materiale. La termodinamica ci dice che se mettiamo a contatto due sostanze a diversa temperatura, le particelle della materia più calda mettono in agitazione quelle della sostanza più fredda fino a ottenere un equilibrio termico, cioè una temperatura identica.  In altre parole, chi comanda è sempre chi si muove di più e la direzione del trasferimento di energia va sempre dal corpo più caldo a quello più freddo.

Tornando al nostro caso, e ribadendo il concetto fondamentale che la temperatura misura quanto velocemente le particelle si muovono, mentre il calore misura l’ammontare di energia che viene trasferita, ne segue che se le particelle che si muovono freneticamente (altissima temperatura) sono estremamente poco numerose (bassa densità) non riescono a trasferire alla navicella un’energia sufficiente a fonderla. La corona solare è estremamente rarefatta (10-12 volte quella della fotosfera) e gli urti sono poco frequenti.

Questo non vuol dire che potremmo muoverci tranquillamente all’interno della corona, sperando di evitare ogni urto, ossia ogni possibile fonte di calore. Qualche protezione bisogna prenderla e non restare fermi troppo a lungo. A questo riguardo pensiamo alla nostra mano che entra in un forno e che  per un po’ sopporta il calore, ma poi comincia a bruciare, anche se non così rapidamente come se la mettessimo nell’acqua bollente. La densità dell’aria  dentro al forno è decisamente più bassa di quella dell’acqua e quindi gli urti sono meno frequenti, ma non bisogna esagerare: a furia di prendere tanti pugni si può crollare al tappeto come dopo un solo gancio micidiale!

Tornando alla missione, quanto detto significa che navigare nella corona significa dover sopportare un calore che porta la temperatura media dello scudo termico a circa 1500 °C. Una temperatura, comunque notevole, paragonabile a quella della lava vulcanica appena uscita.

La Parker Solar Probe utilizza uno schermo protettivo, noto come TPS che misura 2 metri e mezzo di diametro e uno spessore di circa 12 cm. Esso è sufficiente per ridurre il calore trasferito all’interno della navicella in modo da avere una temperatura di 30°C soltanto. Quasi meglio della pietra su cui erano seduti gli eroi di “Viaggio al centro della terra” di Jules Verne, quando sono usciti attraverso la lava dello Stromboli!

Senza entrare nei dettagli, lo scudo è formato da carbonio e da uno strato di ceramica bianca, più esterno, capace di riflettere il massimo possibile di particelle interagenti. E può resistere senza problemi fino a 1650 °C. In generale, però, tutti gli strumenti che dovranno guardare e misurare sono capaci di resistere fino a 2-3000 °C.

Non voglio proseguire nel tecnico (chi vuole approfondire può andare QUI), ma è importante ricordare che la sonda si autocontrolla. Gli otto più otto minuti necessari per correggere una posizione leggermente fuori rotta sarebbero troppi e quindi la navicella ha dei sensori esterni che al minimo segno di calore troppo intenso avvertono il computer di bordo che immediatamente  rimette nella giusta posizione la sonda. Beh… questo sì che è un computer veramente utile!

La missione durerà sette anni  e la sonda compirà 24 orbite attorno al Sole, come mostra schematicamente la figura che segue.

parker
Fonte: NASA (la data del lancio è stata spostata...).

Lo studio sarà diretto sia verso la corona e i meccanismi che la rendono così caldaALT! Ecco il solito errore di sbaglio… è giusto dire che tengono così alta la sua temperatura, sia verso il vento solare e la sua composizione nelle immediate vicinanze della stella.

Una missione veramente incredibile.

Torniamo per un attimo al nostro quiz e agli alieni. Per loro attraversare la corona è veramente una sciocchezza e maggiori problemi hanno con la cromosfera. Fortunatamente anche lei è decisamente meno densa della fotosfera (la superficie del Sole). Inoltre, la sua temperatura è decisamente più bassa della corona, raggiungendo proprio nella zona meno densa poche decina di migliaia di Kelvin. Dove si fa più spessa (vicino alla fotosfera) ha una temperatura di circa 6000 K per poi scendere fino a 3800 e risalire solo alla fine (nella zona adiacente alla transizione verso la corona) a circa 30000 K, ma con una densità circa 10000 volte minore di quella della fotosfera. Insomma, per gli alieni un viaggio del tutto fattibile. Quindi i dubbi degli umani non erano giustificati...

Ecco un bel filmetto esplicativo della NASA (in ottimo e comprensibile inglese)

7 commenti

  1. Maurizio Bernardi

    Oltre alla trasmissione di calore che avviene per via degli urti con le particelle altamente energetiche, suppongo che esista una trasmissione per irraggiamento.

    Così come la bassa densità delle particelle consente di trovare percorsi mediamente più freddi, altrettanto vale per il campo elettromagnetico che produce l'irraggiamento ? Ossia non è un campo omogeneo? Quindi può essere eluso allo stesso modo descritto per evitare zone di concentrazione delle particelle in agitazione?

    Oppure la radiazione è una componente minore e lo scudo è in grado di rifletterne la maggior parte riducendo questo contributo ad un valore marginale?

  2. caro Mau,

    ritengo che le radiazioni uscenti dal Sole rappresentino una parte minore del trasporto di calore e giungano a produrre temperature dell'ordine di un paio di migliaia di gradi che sono quelli sopportabili dalla strumentazione che deve proprio studiarle. In parole povere, la temperatura anomala della corona dipende dal moto delle particelle, mentre la radiazione è sempre quella che esce dalla superficie solare, filtrata in parte dall'atmosfera più esterna. Infatti, la cromosfera e la corona non si riescono a vedere, ma vediamo solo la fotosfera.

  3. E poi, scusa, vi sono molti satelliti che osservano direttamente il Sole e sono raggiunti dalla sua radiazione, ma non hanno gravi problemi... Ciò che conta è la temperatura della corona, ben poco influenzata dalla radiazione solare elettromagnetica...

  4. Maurizio Bernardi

    Non dubito che un simile investimento sia basato su valutazioni accurate e sulle esperienze di precedenti missioni.

    La piccola densità delle particelle nella cromosfera, ancora più esigua nella corona, si associa alla loro alta energia, e questa energia potrebbe avere origine nel campo magnetico. Questa credo sia una delle ipotesi che il progetto dovrà verificare.

    Mi chiedevo allora se il campo magnetico che "riscalda le particelle" agisse in modo importante anche sulla sonda. Ma da quanto dicevi non dovrebbe avere grande influenza rispetto allo scambio diretto con la tenue ma altamente energetica atmosfera della corona.

    Parlando di calore e temperatura mi è venuto in mente che ambedue compaiono nella definizione di entropia, la cui unità di misura è proprio Joule/Kelvin. La questione merita una rivisitazione di questo concetto.

     

     

  5. Sembra proprio di no, ma , come dici tu, penso che la missione e i suoi scopi siano da trattare con maggiore attenzione. E' qualcosa di veramente fantastico e può servire per approfondire concetti spesso travisati. Forza Mau... chiedi pure aiuto a  Pau... :mrgreen:

  6. Mario Fiori

    Bello questo dibattito frà Menti. Comunque speriamo che anche questa missione, meno conosciuta dei robottini, ci dia grandi soddisfazioni.

  7. incrociamo i "diti", caro Mario, dato che non è certo missione semplice  e sicura... :roll:

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