De meeste mensen gaan ervan uit dat de ruimte, omdat deze een vacuüm is, inherent koud is. Die logica lijkt goed genoeg. Als een vacuüm zich gedraagt als de grootste thermoskan ter wereld en de warmte binnenin vasthoudt, hoe kan het dan dat iets in die omgeving koel wordt? Het antwoord ligt in het feit dat de ruimte niet alleen maar leeg is; het is een hitteval.
Ruimtevaartuigen genereren enorme hoeveelheden thermische energie. Deze warmte komt van elektronica, brandstofcellen, raketmotoren en directe zonnestraling. Als deze energie nergens heen kan, kookt het vaartuig zichzelf. Het vacuüm van de ruimte voorkomt dat warmte ontsnapt via geleiding of convectie. Lucht bestaat niet om warmte af te voeren. Je kunt geen ventilator blazen om een satelliet te koelen.
Ingenieurs lossen dit op door het ruimtevaartuig zelf in een radiator te veranderen. Ze zijn volledig afhankelijk van thermische straling.
De mechanica van stralingskoeling
Op aarde werken radiatoren via twee hoofdkanalen: straling en convectie. Je kunt een hete autoradiator aanraken en de hitte voelen. Je kunt ook een ventilator gebruiken om lucht over de vinnen te persen en de warmte weg te voeren. In een baan om de aarde is convectie onmogelijk. Er is geen lucht.
Dit betekent dat ruimteradiatoren aanzienlijk groter moeten zijn dan hun terrestrische tegenhangers. Ze moeten efficiënt genoeg zijn om warmte af te voeren met alleen infraroodstraling.
Overweeg Skylab. Het station was voorzien van een gouden coating die speciaal was ontworpen om de infraroodstraling van de zon te reflecteren. Het had ook grote radiatoren om de door zijn systemen gegenereerde warmte af te voeren. Het goud zag er niet alleen flitsend uit. Het was een strategie voor thermisch beheer.
De Space Shuttle pakte hetzelfde probleem op een andere manier aan. De deuren van de laadruimte waren bekleed met radiatorpanelen. Zodra de shuttle een baan om de aarde bereikte, zou de bemanning deze deuren openen. Hierdoor werden de radiatoren blootgesteld aan de kou van de diepe ruimte, waardoor de warmte de leegte in kon stralen. Het was een onmiddellijke, handmatige reactie op een thermische crisis die op komst was.
Waarom astronauten nog steeds bevriezen
Als een vacuüm zo’n effectieve isolator is, waarom klagen astronauten dan over koude vingers tijdens ruimtewandelingen? De fysica van warmteoverdracht in een vacuüm creëert een paradox.
Hoewel de ruimte zelf geen warmte geleidt, verliest je lichaam snel warmte door straling. Je huid straalt infraroodenergie uit naar het omringende vacuüm. In een thermoskan stuitert deze straling tegen de muren en blijft hangen. In de ruimte reist het naar buiten zonder terug te keren.
Bovendien absorbeer je, als je in direct zonlicht staat, enorme hoeveelheden energie. Als je in de schaduw staat, verlies je energie. Het temperatuurverschil tussen de zongerichte kant en de schaduwkant van een ruimtepak is extreem. Je vingers, omdat ze ledematen zijn met minder bloedstroom, verliezen sneller warmte dan je kern. De thermische regelsystemen van het pak moeten zich voortdurend aanpassen om schade aan de ledematen door bevriezing te voorkomen en oververhitting van de romp te voorkomen.
Het ‘koudevinger’-probleem benadrukt een cruciale waarheid over ruimteontwerp. U kunt niet vertrouwen op de omgevingstemperatuur. Je moet ontwerpen voor straling.
Praktische afhaalrestaurants voor aardse techniek
De principes die in de lucht- en ruimtevaart worden gebruikt, zijn van toepassing op hoogwaardige isolatie op aarde. Als u zich bezighoudt met renovatie- of doe-het-zelfprojecten waarbij thermische efficiëntie een rol speelt, bedenk dan dat het blokkeren van convectie en geleiding slechts het halve werk is. Je moet ook rekening houden met stralingswarmteoverdracht.
Materialen met een hoge emissiviteit stralen de warmte goed uit. Materialen met een hoge reflectiviteit blokkeren dit. Daarom zijn stralingsbarrières op zolders vaak voorzien van aluminiumfolie. Ze reflecteren stralingswarmte terug
