探测器表面一百万度,最耐热材料只能四千度,究竟用了什么材料?

太阳的表面超过5500K,内核温度超过1300万K,这个温度下地球上可能没有任何物质挡得住,但事实上帕克太阳探测器就在非常靠近太阳的地方执行任务,那么从理论上看,能不能找到一种材料可以经受住太阳的热量呢?

地球上最耐热的材料是什么?

很多朋友一想到耐热,就去寻找熔点最高的材料,当然这绝对不算错,比如金属单质元素中熔点最高的是钨,熔点达到了3422 ℃,如果除开金属的话,那么碳无疑是熔点最高的元素,单质碳能承受住3627 ℃的高温,但随后就会升华!

人类迄今为止制造的最耐热的材料是五碳化四钽铪(Ta4HfC5),它的熔点为4215 ℃,当然这个温度距离5500K(开氏度(K) = 摄氏度+273.15)还很远呢,所以地球上没有任何物质能经受住太阳的近距离炙烤!

帕克探测器是怎么做到不怕热的?

帕克探测器是NASA在2018年发射的太阳探测器,其任务是反复的探测和观察太阳的外日冕,它是一颗饶日的探测器,将在2025年最接近太阳,最近时距离仅为640万千米,只有10个太阳半径不到,所以它已经极度靠近太阳。

这个位置是太阳的外层大气所在区域,温度至少有100万摄氏度,帕克太阳探测器如何耐高温?它在朝着太阳方向有一个碳-碳复合材料组成的防护罩,中间还有一层11.5厘米的泡沫碳夹层,朝着太阳的一面还有反射率极高的陶瓷材料!

防护罩总直径达到了2.4米,将整个探测器挡在身后,隔绝了太阳强大的光辐射,而这个防护罩却只有72.5千克,不得不说NASA还真有点真本事,躲在防护罩后的整个探测器温度不超过30℃,当然除了被动隔热外,还有去离子水循环,防止局部温度过高!

用什么方法可以做到更靠近太阳呢?

帕克探测器能耐热100万摄氏度,这太阳表面区区5500K算个毛呢?但其实然并卵,我们肯定有这样的经验,开水只有100℃,燃烧普通煤炉温度至少也超过600-700℃,但快速将手伸到火焰附近然后在抽离,绝对不会烫伤!

但只要将手伸入开水,在人反应的时间内,绝对会被烫伤,而且很严重!所以帕克探测器所在位置的粒子温度虽然很高,但密度极低,所以它不会被太阳晒死,而帕克受到的主要是辐射,在强大阳光的辐射下,帕克探测器绝热层表面可以高达1370℃!

因此帕克探测器加装了那么多装备,能绝热的温度也只有1370℃,再高它也撑不住了!

有更好的方法,能让探测器能耐高温吗?

传导、对流和辐射是热传递的三种方式,在接触太阳高密大气之前,传导和对流可以忽略,唯一需要考虑的是辐射!这种绝热方式主要还是基于帕克探测器的绝热技术:

1、镜面反射,将绝大部分能量反射回去

2、耐热材料,剩余吸收的能量必须要耐热材料承受

3、防止传导,避免吸收的能量传递到探测器本身

3、散热,热量积聚也是一个麻烦事,所以散热很重要

尽量选择高反射率的材料,毕竟镜面反射,天文望远镜上有一种电泳镀膜的高反平面镜,反射率可达99.7%以上,但事实上,在660万千米的位置,其辐射功率是地球赤道上的516.5倍,即使如此其遭受的辐射强度也是地球上1.55倍!

而且高反平面镜镀膜不耐高温,所以这仍然是不是很好的出路,因此在帕克探测器上使用的是极耐高温的陶瓷材料,但很明显帕克探测器的1370℃也已经到了强弩之末,再往上也非常困难了!

哪些材料有几乎100%的反射率呢?很抱歉没有,至少以人类制造的材料中是不存在的,不过《三体》中的水滴强作用力材料为大家开拓了一条思路,利用质子紧密排列形成的最光滑表面,它是反射率最高的材料,很可惜我们现在无法制造!

防止传导的材料,多孔泡沫材料无疑是最佳选择,在帕克探测器中用的泡沫碳就是最佳材料,如果绝热不理想,那么可以再加厚一点,绝热不够,厚度来凑!

最后散热,水的热比容比较大,比较适合用来作为散热剂,当然要求快速散热的场合也可以选用其他密度更低但导热快的液体,比如液氦超流体?但事实上根本不适合在太阳附近散热!

但所有一切的手段,在周围都是高密度高能物质包围时候,就全都失效了,就像肉丢进了热水里一样,不过电子简并态材料即可在太阳内核的温度下保持固体,而不至于变成等离子体!当然上文所说的中子星物质也是可以的!

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