Een voorstelling van de Parker-sonde in de corona van de zon. NASA/John Hopkins APL/Steve Gribben

Parker Solar Probe: waarom naar de zon reizen zo moeilijk is en wat we ervan kunnen leren

De NASA is er vandaag dan toch in geslaagd de Parker Solar Probe te lanceren naar de zon. Naar de zon gaan, is niet zo makkelijk als het misschien wel lijkt. Je moet er heel wat zijdelingse beweging voor kwijtraken, iets waar de planeet Venus voor gebruikt zal worden, en je moet zorgen dat je sonde niet smelt als je in de buurt van de zon komt. Onderzoekers droomden er al meer dan 60 jaar van om een sonde naar de zon sturen, maar tot nog toe bestond de technologie nog niet om de sonde en haar instrumenten te beschermen tegen de immense hitte. Nu wel, en de sonde is dan ook op weg.

Eerst wat feiten en cijfers: aan de Parker zonnesonde is acht jaar lang gewerkt, en de hele missie zal zo'n 1,5 miljard dollar kosten (1,3 miljard euro). 

De sonde zal er drie maanden over doen om de corona - een deel van de atmosfeer van de zon - te bereiken: in november zal de Parker-sonde de eerste keer de zon dicht benaderen, en in december zal de sonde de gegevens daarvan doorsturen naar de aarde. Het is de bedoeling dat de sonde de corona 24 keer zal doorkruisen en het oppervlak van de zon daarbij steeds dichter zal naderen. Om dat te bereiken wordt onder meer een samenspel met de planeet Venus gebruikt, en de sonde zal 7 keer een zeer elliptische baan rond Venus maken. In totaal zal de missie 7 jaar duren. 

Op het dichtste punt zal de sonde het oppervlak van de zon tot 6,2 miljoen kilometer naderen. Ter vergelijking: als de aarde aan de ene kant van een stok van een meter lang zou liggen, en de zon aan het andere, zou dat betekenen dat de sonde het oppervlak van de zon tot op iets meer dan 4 centimeter zou naderen. 

De sonde zal in de buurt van de zon blootgesteld worden aan temperaturen van rond 1.400 graden Celsius. En ze zal ook bijzonder snel gaan: met een snelheid van 700.000 km/u zal ze het snelste door de mens ooit gemaakte object worden. Om een idee te geven: aan die snelheid leg je de afstand tussen Brussel en Sydney in Australië af in nog geen anderhalve minuut. 

De sonde is de eerste NASA-missie die genoemd is naar een nog levend persoon, namelijk de beroemde "zonne-natuurkundige" professor Eugene Parker. Parker was de eerste die in 1958 het bestaan van de zonnewind voorspelde, de stroom van geladen deeltjes en magnetische velden die constant uit de zon voortkomt en heel ons zonnestelsel doordringt. De baan van het ruimtetuig door de corona van de zon moet het toelaten om de versnelling van die zonnewind die Parker voorspeld had, te observeren, en dat net op het punt waar de zonnewind de kritische overgang maakt van trager dan de geluidssnelheid naar sneller dan het geluid.

Parker, die nu 91 jaar is, zei dat hij "onder de indruk" was van de sonde. Hij  woonde de lancering van de sonde bij op Cape Canaveral en zei dat het net was alsof je jaren naar foto's van de Taj Mahal had gekeken, en dan nu de enige echte ziet in Indië. "Ik zal nu echt moeten overschakelen van nagelbijten voor de lancering, naar denken over al de interessante zaken die ik nog niet weet, en die duidelijk gemaakt zullen worden, neem ik aan, in de loop van de komende vijf, zes of zeven jaar", zo zei hij op NASA TV. 

De Parker-sonde, die zo groot is als een kleine auto en 635 kilogram weegt, heeft niet alleen instrumenten aan boord, maar ook een microchip met de namen van 1,1 miljoen mensen die ingetekend hebben om hun naam naar de zon gestuurd te krijgen. Hun wens gaat nu in vervulling.

Professor Parker tijdens de lancering op Cape Canaveral. For PAO/Released Imagery Only: For copyright and restrictions refer to http://www.nasa.gov/multimedia/guidelines/index.html

Naar de zon gaan kost 55 keer meer energie dan naar Mars reizen

Naar de zon gaan is verrassend moeilijk. Men zou kunnen denken dat het relatief eenvoudig zou zijn: de zon heeft immers een enorme zwaartekracht en dus zou een klein zetje in de goede richting moeten volstaan om er heen te zweven, maar zo is het dus niet.

 Het is inderdaad zo dat de zon 99,8 procent van alle massa in ons zonnestelsel voor haar rekening neemt, en dat haar zwaartekracht alles op zijn plaats houdt, van de kleine planeet Mercurius in een baan dichtbij, tot de gasreuzen ver weg en zelfs de ijzige planetesimalen in de Oortwolk, zo'n 300 miljard kilometer ver. Maar ondanks die enorme aantrekkingskracht is het verrassend moeilijk om naar de zon te reizen: volgens de onderzoekers van de NASA vraagt het 55 keer meer energie dan nodig is om naar Mars te reizen. 

En waarom is het zo moeilijk? Het antwoord zit in hetzelfde feit dat de aarde ervan weerhoudt van in de zon te vallen: onze planeet vliegt zeer hard - tegen bijna 108.000 km/u - bijna volledig zijdelings ten opzichte van de zon. En de enige manier om naar de zon te geraken, is die zijdelingse beweging uit te schakelen. 

Aangezien de Parker-sonde door de atmosfeer van de zon zal zoeven, moet ze "slechts" 85.000 km/u aan zijdelingse beweging kwijtraken om haar bestemming te bereiken, maar ook dat is nog geen kleinigheid. 

Om dat te doen beschikt de Parker over een krachtige raket, de Delta IV Heavy, en de sonde zal 7 keer een beroep doen op de zwaartekracht van Venus in de loop van haar zeven jaar durende missie, om zijdelingse snelheid af te stoten in de "put" van de orbitale energie van Venus. Daarvoor zal de sonde sterk elliptische banen rond Venus beschrijven. Die banen om zijdelingse snelheid kwijt te raken, zullen de Parker-zonnesonde telkens dichter bij het oppervlak van de zon brengen, tot ze uiteindelijk op de recordafstand van slechts 6,16 miljoen kilometer van het zichtbare oppervlak van de zon zal verwijderd zijn tijdens haar laatste banen rond de zon. 

En hoewel de sonde zijdelingse snelheid kwijtspeelt om dichterbij te kunnen komen, zal de snelheid van de Parker-sonde in het algemeen toenemen, door de extreme zwaartekracht van de zon. En daardoor zal de sonde nog een record breken, en met een snelheid van 692.000 km/u het snelste door de mens gemaakte object ooit worden tijdens haar laatste omlopen.

Een stevig hitteschild

De Parker-zonnesonde zal met een afstand van 6,16 miljoen kilometer dichter bij het oppervlak van de zon komen dan welke missie ook. De sonde vliegt dan door de corona van de zon, en daar is het onvoorstelbaar heet, veel heter dan op het oppervlak van de zon. Het ruimtetuig zal er door materiaal vliegen dat meer dan 1 miljoen graden warm is, terwijl het gebombardeerd wordt door intens zonlicht. 

En dus is het zaak om er voor te zorgen dat de sonde niet smelt of opbrandt. De sonde is dan ook ontworpen om die extreme omstandigheden en temperatuurschommelingen aan te kunnen. De sleutel daartoe is een speciaal ontworpen hitteschild, een koelsysteem op water, en een autonoom systeem dat de sonde helpt beschermen tegen het intense zonlicht, terwijl het toch toelaat dat het materiaal uit de corona in contact komt met het ruimtetuig. Dat is belangrijk, want anders kan de Parker geen metingen verrichten naar dat materiaal.  

Het deel met de instrumenten van de Parker-sonde wordt op de raketmotor gehesen (Foto: NASA/John Hopkins APL/Ed Whitman)

Temperatuur en warmte

Om te begrijpen wat de zonnesonde en haar instrumenten veilig en koel houdt, is het belangrijk om het verschil te begrijpen tussen het concept warmte tegenover het concept temperatuur. Want, hoewel dat tegen de intuïtie ingaat, het is niet altijd zo dat een hoge temperatuur zich ook altijd vertaalt in het verhitten van een ander object. 

In de ruimte kan de temperatuur duizenden graden zijn zonder een betekenisvolle warmte af te geven aan een bepaald object, of zonder heet aan te voelen. Waarom is dat zo? Temperatuur meet hoe snel deeltjes zich bewegen - hoe sneller hoe warmer -, terwijl warmte de totale hoeveelheid energie meet die ze overbrengen. En deeltjes kunnen zich snel bewegen (een hoge temperatuur), maar als er erg weinig deeltjes zijn, zullen ze niet veel energie overdragen (lage warmte). Aangezien de ruimte voor het grootste deel leeg is, zijn er erg weinig deeltjes die energie kunnen overdragen aan het ruimtetuig. 

De corona waar de Parker-zonnesonde doorheen vliegt, heeft een extreem hoge temperatuur maar een zeer lage densiteit, dichtheid. De NASA geeft op haar website het voorbeeld van het verschil tussen je hand in een hete oven steken, tegenover je hand in een pot kokend water stoppen - en zegt er meteen bij het thuis niet te proberen. In de oven zal je hand langer beduidend hogere temperaturen kunnen doorstaan dan in het water met een hogere dichtheid, waar je hand interactie heeft met veel meer deeltjes.

Met de corona is het net zo:  in vergelijking met het zichtbare oppervlak van de zon, is die minder dicht, zodat de zonnesonde met minder hete deeltjes in interactie komt en niet zo veel warmte ontvangt.

En dat betekent dat, hoewel de Parker-sonde door een ruimte zal reizen met temperaturen van meer dan een miljoen graden, het oppervlak van het hitteschild dat naar de zon gericht is, slechts opgewarmd zal worden tot zo'n 1.400 graden Celsius.   

Het hitteschild van de sonde bestaat uit twee panelen van superverhit koolstof-koolstof-composiet, met middenin een lichtgewicht koolstofkern van 11,5 cm. Om zo veel mogelijk van de energie van de zon weg te reflecteren van de sonde, is de kant van het schild die naar de zon gericht is, bespoten met een speciaal ontworpen witte coating. (Foto: NASA/John Hopkins APL/Ed Whitman) JHU APL

Het schild zelf en de koelinstallatie op water

Nu is zelfs 1.400 graden Celsius nog behoorlijk heet: lava bij een vulkaanuitbarsting haalt slechts tussen 700 en 1.200 graden. Om aan die hitte te kunnen weerstaan, gebruikt de Parker-sonde een hitteschild dat het "Termal Protection System" (TPS) genoemd wordt. 

Het TPS heeft een diameter van 2,4 meter en is zo'n 11,5 cm dik. Dat tiental centimeter bescherming moet er voor zorgen dat aan de andere kant van het schild het voornaamste deel van de sonde met de instrumenten een temperatuur van een comfortabele 30 graden zal hebben. 

Het schild is ontworpen door het John Hopkins Applied Physics Laboratory, en het werd gebouwd door Carbon-Carbon Advanced Technologies, die een koolstof-composiet schuim "sandwichten" tussen twee koolstofplaten. Op de plaat die naar de zon gericht is, is een witte ceramische verf aangebracht, om zoveel mogelijk hitte te weerkaatsen. Het TPS is getest tot temperaturen tot 1.650 graden, en zou dus alles moeten aankunnen dat de zon ernaar toe zendt. 

De zonnepanelen aan boord van de zonnesonde moeten uiteraard zonlicht opvangen, en zonder bescherming zouden die oververhit kunnen raken. Bij elke benadering van de zon trekken de panelen zich wel zover mogelijk terug in de schaduw van het hitteschild, zodat er slechts een klein stukje blootgesteld blijft aan de intense zonnestralen. 

Maar zo dicht bij de zon is er nog meer bescherming vereist, en daarom hebben de zonnepanelen een verrassend eenvoudig koelsysteem: een verwarmde tank die ervoor zorgt dat de koelvloeistof niet bevriest tijdens de lancering, twee radiatoren die ervoor zullen blijven zorgen dat de koelvloeistof niet bevriest, aluminium vinnen om het koeloppervlak te maximaliseren, en pompen om de koelvloeistof rond te pompen. 

En wat is die koelvloeistof dan wel? Water, zo'n 3,7 liter van gedeïoniseerd water. Er zijn veel verschillende koelvloeistoffen, maar de temperaturen waaraan de zonnepanelen zullen blootgesteld worden, vallen in dit geval tussen 10 graden Celsius en 125 graden. En weinig vloeistoffen kunnen dat zo goed aan als water. Om te beletten dat het water zou gaan koken als het de 125 graden bereikt, staat het onder druk zodat het kookpunt hoger ligt dan 125 graden.

Verder heeft de sonde ook nog een autonoom systeem om ervoor te zorgen dat ze steeds precies met de juiste kant naar de zon gericht is. Licht doet er vanaf de sonde al zo'n 8 minuten over om de aarde te bereiken, en als er dus iets mis zou gaan, kunnen de technici op aarde niet tijdig ingrijpen.

Daarom heeft de sonde een reeks sensoren die net aan de grens van de schaduw van het hitteschild in de schaduw geplaatst zijn. Als een van die sensoren, die half zo groot zijn als een gsm, zonlicht opvangt, verwittigt hij de centrale computer. Daardoor kan de sonde dan autonoom haar positie corrigeren, zodat de sensoren, en de rest van de instrumenten, netjes beschermd in de schaduw van het hitteschild blijven. Dat moet allemaal gebeuren zonder menselijk ingrijpen, en de software van de centrale computer is dan ook uitgebreid getest om er zeker van te zijn dat al de correcties "op automatische piloot" kunnen gedaan worden. 

Om een aantal instrumenten te beschermen die niet verstopt zitten onder het hitteschild, omdat ze metingen moeten verrichten waarvoor ze blootgesteld moeten zijn aan "de elementen", hebben de wetenschappers van de NASA speciale technologieën gebruikt en speciale legeringen, zoals speciaal "gekweekte" buisjes van saffierkristallen, kabels uit niobium en een "beker" van een instrument uit lagen van een titanium-zirconium-molybdeen-legering.  

Het raadsel van de hete corona

De Parker-probe zal in de corona van de zon metingen verrichten van de deeltjes met een hoge energie die de zon uitstoot, en van de magnetische schommelingen. Ze zal ook beelden nemen van de corona, en luisteren naar de golven die zich door het plasma, de geïoniseerde deeltjes, bewegen. 

De bedoeling is een aantal grote en al lang bediscussieerde raadsels op te lossen. Het gaat dan voornamelijk over de vraag waarom de corona zo heet is, honderden keren heter dan het oppervlak van de zon, en hoe de zonnewind ontstaat en hoe hij kan versnellen tot snelheden tot bijna 3 miljoen kilometer per uur.

Voor de corona zou de Parker-sonde duidelijk moeten maken welke theorie er juist is: de electromagnetische golven of de nanozonnevlammen. De eerste theorie stelt dat magnetische golven van een bepaalde frequentie, zogenoemde Alfvén-golven, van diep in de zon in de corona schieten, wat de geladen deeltjes doet tollen en de atmosfeer opwarmt.

De tweede theorie stelt dat kleine ontploffingen als van een bom, nanoflares of nanozonnevlammen, over het oppervlak van de zon warmte pompen in de atmosfeer van de zon. Net als hun grote broertjes de zonnevlammen, wordt aangenomen dat de nanozonnevlammen het resultaat zijn van een explosief proces dat magnetische reconnectie wordt genoemd. Het kolken en wervelen van het oppervlak van de zon verbuigt en verwringt de magnetische veldlijnen, waarbij spanning wordt opgebouwd, tot ze op een explosieve wijze knappen, en daarbij deeltjes versnellen en opwarmen. 

De beide theorieën sluiten elkaar overigens niet uit, sommige onderzoekers nemen aan dat ze samen de corona zouden kunnen opwarmen, dat de nanozonnevlammen bijvoorbeeld Alfvén-golven zouden kunnen uitlokken. En dus wil men zien hoe vaak die processen voorkomen, constant of in uitbarstingen, en dat kunnen we niet beantwoorden vanop bijna 150 miljoen kilometer afstand, daarvoor hebben we een sonde nodig die dichter geraakt. 

Voorstelling van de aarde in de zonnewind (Illustratie: NASA's Goddard Flight Center Scientific Visualization Studio/Greg Shirah)

De snelle en de trage zonnewind

Zoals gezegd formuleerde professor Eugene Parker van de University of Chicago in 1958 een theorie die aantoonde dat de hete corona van de zon zo heet is dat ze de zwaartekracht van de zon kan overwinnen. Volgens de theorie breidt het materiaal in de corona zich voortdurend uit in alle richtingen, en vormt het de zonnewind, die het hele zonnestelsel vult. 

Een jaar later ontdekte het Sovjet-ruimtetuig Luna 1 inderdaad deeltjes van de zonnewind in de ruimte, en drie jaar later werden die waarnemingen bevestigd door de Mariner 2 van de NASA. Maar de Mariner 2 ontdekte nog meer: twee duidelijk verschillende stromen van zonnewind, een trage die zich voortbewoog tegen zo'n 346 kilometer per seconde, en een snelle zonnewind die tweemaal zo snel door de ruimte zoefde. 

In 1973 werd duidelijk waar de snelle zonnewind vandaan kwam: röntgen-opnames van de corona genomen vanuit het Skylab - het eerste bemande ruimtestation van de VS - toonden aan dat de snelle zonnewind uit "coronal holes" komt, coronale gaten, wat donkere, realtief koude gebieden op de zon zijn. 

"De trage zonnewind is, in veel opzichten, een groter mysterie", zei Jim Klimchick, een zonnedeskundige aan het NASA's Goddard Space Flight Center. "Hij is zeer beloftevol wat betreft het blootleggen van fundamentele nieuwe inzichten", zo zei hij in een mededeling van de NASA. 

De oorsprong van die trage zonnewind en de mechanismen waardoor hij versnelt, blijven een raadsel, en zijn het onderwerp van een bewogen debat onder onderzoekers dat al decennia lang aansleept. 

Er bestaan wel verschillende theorieën over, en onderzoekers hopen die nu te kunnen testen. Pogingen om het pleit te beslechten vanaf de aarde zijn tot nu toe stukgelopen op het feit dat we de zonnewind pas kunnen meten als die al een eind weg is van waar hij ontstaat. En dus is ook hier de Parker-sonde nodig, om van dichterbij metingen te verrichten zodat we de zonnewind kunnen volgen tot waar hij ontstaat. De onderzoekers hopen overigens ook dat een beter begrip van de zonnewind hen toe zal laten om betere beschermingsmaatregelen uit te werken tegen de negatieve effecten die de zonnewind bij hevige uitbarstingen soms op aarde heeft.

Voor de geleerden die data willen om hun theorieën te testen, zullen de nauwkeurige metingen van de Parker-sonde van de magnetische velden in de corona van onschatbare waarde zijn.  "Dat is waarom de Parker-missie zo belangrijk is", zei Aleida Higginson, een onderzoeker van de University of Michigan die bij Goddard werkt. "Het is allemaal terug te voeren op het begrijpen van de gedetailleerde magnetische structuur op de zon."

De Parker-zonnesonde in een van de twee stroomlijnkappen waarin de sonde gelanceerd is. (Foto: NASA/John Hopkins APL/Ed Whitman)