Більшість людей припускають, що оскільки космос є вакуумом, він за своєю природою холодний. Ця логіка здається цілком обґрунтованою. Якщо вакуум діє як найбільший термос у світі, утримуючи тепло всередині, то як щось може охолоджуватися в такому середовищі? Відповідь у тому, що космос — це просто порожнеча; це пастка для тепла.
Космічні апарати генерують величезну кількість теплової енергії. Це тепло походить від електроніки, паливних елементів, ракетних двигунів та прямого сонячного випромінювання. Якщо цій енергії нема куди подітися, апарат «зварить» сам себе. Вакуум космосу перешкоджає відводу тепла за допомогою теплопровідності чи конвекції. Повітря не існує, щоб нести тепло. Ви не можете використовувати вентилятор для охолодження супутника.
Інженери вирішують цю проблему, перетворюючи сам космічний апарат на радіатор. Вони повністю покладаються теплове випромінювання.
Механізми радіаційного охолодження
На Землі радіатори працюють через два основні канали: випромінювання та конвекція. Ви можете торкнутися гарячого автомобільного радіатора та відчути тепло. Ви також можете використовувати вентилятор, щоб примусово прогнати повітря через ребра радіатора та відвести тепло. На орбіті конвекція неможлива. Повітря немає.
Це означає, що космічні радіатори повинні бути значно більшими за свої земні аналоги. Вони мають бути досить ефективними, щоб відводити тепло, використовуючи лише інфрачервоне випромінювання.
Візьмемо для прикладу станцію “Скайлеб”. На станції було нанесено золоте покриття, спеціально розроблене для відображення інфрачервоного випромінювання від Сонця. Вона також оснащувалась великими радіаторами для розсіювання тепла, що генерується її системами. Золото мало не просто ефектний вигляд. То була стратегія теплового управління.
“Шаттл” підійшов до тієї ж проблеми з іншого боку. Двері вантажного відсіку були облицьовані радіаторними панелями. Після виходу шатла на орбіту екіпаж відчиняв ці двері. Це відкривало радіатори впливу холоду глибокого космосу, дозволяючи теплу випромінюватись у порожнечу. Це була негайна, ручна відповідь на очікувану теплову проблему.
Чому астронавти все одно мерзнуть
Якщо вакуум є таким ефективним ізолятором, то чому астронавти скаржаться на холодні пальці під час виходів у відкритий космос? Фізика теплопередачі у вакуумі створює феномен.
Хоча сам космос не проводить тепло, ваше тіло швидко втрачає тепло через випромінювання. Ваша шкіра випромінює інфрачервону енергію в навколишній вакуум. У термосі це випромінювання відбивається від стін і залишається всередині. У космосі воно йде назовні без повернення.
Більше того, якщо ви перебуваєте на прямому сонячному світлі, ви поглинаєте величезну кількість енергії. Якщо ви перебуваєте в тіні, ви втрачаєте енергію. Різниця температур між освітленою сонцем та затіненою сторонами скафандра екстремальна. Ваші пальці, будучи кінцівками з меншим кровотоком, втрачають тепло швидше, ніж ваше ядро. Системи терморегуляції скафандра повинні постійно коригуватися, щоб запобігти обмороженню кінцівок, одночасно запобігаючи перегріву тулуба.
Проблема холодних пальців підкреслює критичну істину про проектування космічних апаратів. Ви не можете покладатися на температуру навколишнього середовища. Ви маєте проектувати з урахуванням випромінювання.
Практичні висновки для земної інженерії
Принципи, що використовуються в аерокосмічній галузі, застосовуються до високоефективної ізоляції на Землі. Якщо ви розглядаєте ремонт будинку чи проекти своїми руками, пов’язані з тепловою ефективністю, пам’ятайте, що блокування конвекції та теплопровідності – це лише половина справи. Ви також маєте враховувати радіаційний теплообмін.
Матеріали з високою випромінювальною здатністю (емісивністю) добре випромінюють тепло. Матеріали з високою відбивною здатністю блокують його. Саме тому променеві бар’єри на горищах часто мають алюмінієву фольгу. Вони відбивають променисте тепло назад
