Większość ludzi zakłada, że ponieważ kosmos jest próżnią, jest z natury zimny. Ta logika wydaje się całkiem rozsądna. Jeśli próżnia działa jak największy termos na świecie, zatrzymując ciepło w środku, jak cokolwiek może się ochłodzić w takim środowisku? Odpowiedź leży w fakcie, że przestrzeń nie jest tylko pustą przestrzenią; To pułapka cieplna.
Statek kosmiczny generuje ogromne ilości energii cieplnej. Ciepło to pochodzi z elektroniki, ogniw paliwowych, silników rakietowych i bezpośredniego promieniowania słonecznego. Jeśli ta energia nie będzie miała gdzie się podziać, urządzenie samo się „ugotuje”. Próżnia przestrzenna zapobiega usuwaniu ciepła na drodze przewodzenia lub konwekcji. Powietrze nie istnieje, aby odprowadzać ciepło. Nie można używać wentylatora do chłodzenia satelity.
Inżynierowie rozwiązują ten problem, zamieniając sam statek kosmiczny w grzejnik. Opierają się całkowicie na promieniowaniu cieplnym.
Mechanizmy chłodzenia radiacyjnego
Na Ziemi grzejniki działają poprzez dwa główne kanały: promieniowanie i konwekcję. Możesz dotknąć gorącej chłodnicy samochodu i poczuć jej ciepło. Można również użyć wentylatora, aby przepuścić powietrze przez żeberka chłodnicy i rozproszyć ciepło. Konwekcja na orbicie jest niemożliwa. Nie ma powietrza.
Oznacza to, że promienniki kosmiczne muszą być znacznie większe niż ich naziemne odpowiedniki. Muszą być na tyle wydajne, aby usuwać ciepło wykorzystując wyłącznie promieniowanie podczerwone.
Weźmy jako przykład stację Skylab. Stacja została pokryta złotem, specjalnie zaprojektowanym do odbijania promieniowania podczerwonego Słońca. Została również wyposażona w duże grzejniki, które odprowadzały ciepło wytwarzane przez jej systemy. Złoto nie tylko wyglądało spektakularnie. To była strategia zarządzania temperaturą.
W wahadłowcu podszedł do tego samego problemu z innej perspektywy. Drzwi przedziału ładunkowego zostały wyłożone panelami chłodnicy. Gdy prom wszedł na orbitę, załoga otworzyła te drzwi. To wystawiło grzejniki na zimno głębokiej przestrzeni kosmicznej, umożliwiając promieniowanie ciepła w pustkę. Była to natychmiastowa, ręczna reakcja na utrzymujący się problem termiczny.
Dlaczego astronautom wciąż jest zimno
Jeśli próżnia jest tak skutecznym izolatorem, dlaczego astronauci narzekają na zimne palce podczas spacerów kosmicznych? Fizyka wymiany ciepła w próżni stwarza paradoks.
Choć sama przestrzeń nie przewodzi ciepła, organizm szybko traci ciepło w wyniku promieniowania. Twoja skóra emituje energię podczerwoną do otaczającej próżni. W termosie promieniowanie to odbija się od ścian i pozostaje wewnątrz. W kosmosie odchodzi bez powrotu.
Co więcej, jeśli przebywasz w bezpośrednim świetle słonecznym, pochłaniasz ogromną ilość energii. Jeśli jesteś w cieniu, tracisz energię. Różnica temperatur pomiędzy nasłonecznioną i zacienioną stroną kombinezonu jest ogromna. Twoje palce, będące kończynami o mniejszym przepływie krwi, tracą ciepło szybciej niż rdzeń. Systemy termoregulacji kombinezonu muszą być stale regulowane, aby zapobiec odmrożeniom kończyn i jednocześnie zapobiec przegrzaniu tułowia.
Problem zimnych palców uwydatnia krytyczną prawdę o projektowaniu statków kosmicznych. Nie można polegać na temperaturze otoczenia. Należy projektować z myślą o promieniowaniu.
Praktyczne implikacje dla inżynierii ziemnej
Zasady stosowane w przemyśle lotniczym mają zastosowanie do izolacji o wysokiej wydajności na Ziemi. Jeśli rozważasz remont domu lub projekty typu „zrób to sam” związane z efektywnością cieplną, pamiętaj, że blokowanie konwekcji i przewodzenia to tylko połowa sukcesu. Należy również wziąć pod uwagę radiacyjne przenoszenie ciepła.
Materiały o wysokiej emisyjności (emisyjności) dobrze oddają ciepło. Blokują go materiały silnie odblaskowe. Dlatego też bariery promiennikowe na poddaszach często wyłożone są folią aluminiową. Odbijają promieniujące ciepło
