Kleine korreltjes, ernstige schade: botsingen met hypersnelheden van stof met ruimtetuig produceren plasma-ontploffingen

De Parker Solar Probe is de nieuwste en meest ambitieuze poging van de Amerikaanse ruimtevaartorganisatie NASA om de zon te bestuderen. 

De zonnesonde heeft al heel wat records gebroken: ze is het dichtst bij de zon gekomen van alle ruimtetuigen tot nu toe, haar instrumenten hebben in de hoogste temperaturen gewerkt en ze is het snelste object dat ooit door de mens is gemaakt. 

Maar die records hebben een prijs: het ruimtetuig gaat zo snel dat zelfs een botsing met een klein korreltje stof ernstige schade kan veroorzaken. 

Een team van onderzoekers van het Laboratory for Atmospheric and Space Physics (LASP) van de University of Colorado (Boulder) en het Applied Physics Laboratory van de Johns Hopkins University heeft nu in een nieuwe studie het meest volledige beeld geschetst van hoe de botsingen met hypersnelheid met stof een ruimtetuig kunnen beschadigen en zijn werking kunnen verstoren. 

De Parker Solar Probe zoeft door de ruimte in de buurt van de zon aan een snelheid tot wel 180 kilometer per seconde (bijna 650.000 kilometer per uur) en doorkruist daarbij het dichtste gebied van de zodiakale wolk. Die interplanetaire of zodiakale wolk is een dikke stofwolk in de vorm van een pannenkoek die zich uitstrekt doorheen het zonnestelsel. Ze bestaat uit kleine stofkorreltjes die afgeworpen zijn door asteroïden en kometen. 

Terwijl de zonnesonde door dit gebied trekt, wordt ze getroffen door duizenden piepkleine stofkorreltjes, die een diameter hebben van zo'n 2 tot 20 micrometer - een miljoenste van een meter -, zowat een vierde van de dikte van een menselijk haar. 

Die korreltjes raken het ruimtetuig met hypersnelheden. Hypersnelheid noemt men een snelheid boven zo'n 3000 meter per seconde of 11.000 kilometer per uur. 

Door die snelheid wordt het materiaal waaruit de stofkorreltjes en het getroffen oppervlak bestaan, bij een botsing zo heet, dat het eerst verdampt en daarna ioniseert. Ionisatie is een proces waarbij de atomen in de verdampte materie gesplitst worden in hun ionen - geladen atomen - en elektronen, wat een aggregatietoestand van de materie oplevert die plasma genoemd wordt. 

De snelle verdamping en ionisatie veroorzaken een plasma-explosie die minder dan een duizendste van een seconde duurt. De grootste botsingen veroorzaken ook 'puinwolken' die langzaam uitdijen, weg van het ruimtetuig. 

Voor hun nieuwe studie gebruikten de onderzoekers antennes en magnetischveldsensoren om verstoringen te meten in de elektromagnetische omgeving rond de zonnesonde, verstoringen die veroorzaakt werden door de plasma-ontploffingen.   

De bevindingen van de studie zouden kunnen leiden tot nieuwe inzichten in het ruimteweer rond de zon. 

Zo lieten de metingen het team toe te bestuderen hoe deze plasma-ontploffingen interageren met de zonnewind, de stroom van ionen en elektronen die de zon constant voortbrengt. 

"Met deze metingen kunnen we zien hoe het plasma dat door deze botsingen met stof gecreëerd wordt, weggevaagd wordt door de stroom van de zonnewind", zei David Malaspina, de leider van de studie. Hij voegde eraan toe dat leren begrijpen hoe dit proces werkt op kleine schaal, wetenschappers kan helpen om een beter zicht te krijgen op hoe grotere plasmagebieden, zoals die in de bovenste lagen van de atmosfeer van Venus en Mars, weggevaagd worden door de zonnewind. 

Malaspina is onderzoeker aan het LASP en professor astrofysica aan de University of Colorado, Boulder. 

De bevindingen hebben ook grote implicaties voor de veiligheid van de Parker Solar Probe en ruimtetuigen die na de sonde zullen gelanceerd worden. 

Het team gebruikte ook de optische camera's aan boord van de Parker en observeerde daarmee hoe metaal- en verfschilfers die losgeslagen waren tijdens botsingen met stofdeeltjes, in de buurt van de sonde zweefden en rondtuimelden. Die stukjes puin veroorzaakten strepen in de beelden die de wetenschappelijke en navigatiecamera's van de zonnesonde maakte. 

"Veel van die strepen op de beelden zien er stervormig uit, en ze ontstaan in de buurt van het hitteschild", zei mede-auteur Kaushik Iyer van het APL, refererend aan het grote schild dat de Parker Solar Probe beschermt tegen de intense hitte van de zon. 

De studie vermeldt ook dat sommig puin zonlicht in de navigatiecamera's van de sonde weerkaatste, wat maakte dat de sonde tijdelijk niet kon vaststellen welke positie ze juist innam in de ruimte. Dat kan gevaarlijk zijn voor een ruimtetuig dat afhankelijk is van het precies richten van zijn hitteschild om te overleven. 

De Parker Solar Probe werd in augustus 2018 gelanceerd en heeft nu 9 volledige banen rond de zon uitgevoerd. Voor haar missie eindigt in 2025, zal ze nog eens 15 keer rond de zon draaien. En terwijl de sonde haar onderzoek in de buurt van de zon voortzet, kan ze nog een record aan haar lijstje toevoegen: dat van meest gezandstraald ruimtetuig. 

De resultaten van de studie zullen voorgesteld worden op 11 november op de 63e Annual Meeting of the American Physical Society Divison of Plasma Physics in Pittsburgh. Dit artikel is gebaseerd op een persmededeling van de American Physical Society.