La maggior parte delle persone ritiene che, poiché lo spazio è vuoto, sia intrinsecamente freddo. Questa logica sembra abbastanza valida. Se un aspirapolvere si comporta come il thermos più grande del mondo, intrappolando il calore al suo interno, come fa qualcosa a raffreddarsi in quell’ambiente? La risposta sta nel fatto che lo spazio non è semplicemente vuoto; è una trappola di calore.
I veicoli spaziali generano enormi quantità di energia termica. Questo calore proviene dall’elettronica, dalle celle a combustibile, dai motori a razzo e dalla radiazione solare diretta. Se questa energia non ha nessun posto dove andare, l’artigianato si cucina da solo. Il vuoto dello spazio impedisce al calore di fuoriuscire per conduzione o convezione. L’aria non esiste per portare via il calore. Non puoi far saltare un ventilatore per raffreddare un satellite.
Gli ingegneri risolvono questo problema trasformando la navicella stessa in un radiatore. Si basano interamente sulla radiazione termica.
La meccanica del raffreddamento radiativo
Sulla Terra i radiatori funzionano attraverso due canali principali: irraggiamento e convezione. Puoi toccare il radiatore di un’auto calda e sentirne il calore. Puoi anche usare una ventola per forzare l’aria sulle alette ed eliminare il calore. In orbita la convezione è impossibile. Non c’è aria.
Ciò significa che i radiatori spaziali devono essere significativamente più grandi delle loro controparti terrestri. Devono essere sufficientemente efficienti da smaltire il calore utilizzando solo la radiazione infrarossa.
Considera Skylab. La stazione presentava un rivestimento dorato progettato specificamente per riflettere la radiazione infrarossa del sole. Trasportava anche grandi radiatori per dissipare il calore generato dai suoi sistemi. L’oro non era solo appariscente. Era una strategia di gestione termica.
Lo Space Shuttle ha adottato un approccio diverso allo stesso problema. Le porte del vano di carico erano rivestite con pannelli del radiatore. Una volta che la navetta avesse raggiunto l’orbita, l’equipaggio avrebbe aperto queste porte. Ciò esponeva i radiatori al freddo dello spazio profondo, permettendo al calore di irradiarsi nel vuoto. È stata una risposta immediata e manuale a una crisi termica in attesa di verificarsi.
Perché gli astronauti continuano a congelarsi
Se il vuoto è un isolante così efficace, perché gli astronauti si lamentano delle dita fredde durante le passeggiate spaziali? La fisica del trasferimento di calore nel vuoto crea un paradosso.
Sebbene lo spazio in sé non conduca calore, il tuo corpo perde calore rapidamente attraverso le radiazioni. La tua pelle irradia energia infrarossa nel vuoto circostante. In un thermos, questa radiazione rimbalza sulle pareti e rimane. Nello spazio viaggia verso l’esterno senza ritorno.
Inoltre, se sei esposto alla luce solare diretta, assorbi enormi quantità di energia. Se sei nell’ombra, perdi energia. La differenza di temperatura tra il lato esposto al sole e il lato ombreggiato di una tuta spaziale è estrema. Le tue dita, essendo le estremità con meno flusso sanguigno, perdono calore più velocemente del tuo nucleo. I sistemi di regolazione termica della tuta devono adattarsi costantemente per prevenire danni da congelamento agli arti prevenendo al contempo il surriscaldamento del busto.
Il problema del “dito freddo” evidenzia una verità fondamentale sulla progettazione dello spazio. Non puoi fare affidamento sulla temperatura ambiente. È necessario progettare per le radiazioni.
Appunti pratici per l’ingegneria terrestre
I principi utilizzati nel settore aerospaziale si applicano all’isolamento ad alte prestazioni sulla Terra. Se stai esaminando la ristrutturazione della casa o progetti fai-da-te che coinvolgono l’efficienza termica, ricorda che bloccare la convezione e la conduzione è solo metà dell’opera. È necessario considerare anche il trasferimento di calore radiativo.
I materiali ad alta emissività irradiano bene il calore. I materiali con elevata riflettività lo bloccano. Questo è il motivo per cui le barriere radianti nelle mansarde sono spesso dotate di fogli di alluminio. Riflettono il calore radiante
