Большинство людей предполагают, что поскольку космос представляет собой вакуум, он по своей природе холодный. Эта логика кажется вполне обоснованной. Если вакуум действует как самый большой термос в мире, удерживая тепло внутри, то как что-либо может охлаждаться в такой среде? Ответ кроется в том, что космос — это не просто пустота; это ловушка для тепла.
Космические аппараты генерируют огромное количество тепловой энергии. Это тепло исходит от электроники, топливных элементов, ракетных двигателей и прямого солнечного излучения. Если этой энергии некуда деваться, аппарат «сварит» сам себя. Вакуум космоса препятствует отводу тепла посредством теплопроводности или конвекции. Воздуха не существует, чтобы уносить тепло. Вы не можете использовать вентилятор для охлаждения спутника.
Инженеры решают эту проблему, превращая сам космический аппарат в радиатор. Они полностью полагаются на тепловое излучение.
Механизмы радиационного охлаждения
На Земле радиаторы работают через два основных канала: излучение и конвекция. Вы можете прикоснуться к горячему автомобильному радиатору и почувствовать тепло. Вы также можете использовать вентилятор, чтобы принудительно прогнать воздух через ребра радиатора и отвести тепло. На орбите конвекция невозможна. Воздуха нет.
Это означает, что космические радиаторы должны быть значительно больше своих земных аналогов. Они должны быть достаточно эффективными, чтобы отводить тепло, используя только инфракрасное излучение.
Возьмем для примера станцию «Скайлэб». На станции было нанесено золотое покрытие, специально разработанное для отражения инфракрасного излучения от Солнца. Она также оснащалась большими радиаторами для рассеивания тепла, генерируемого ее системами. Золото выглядело не просто эффектно. Это была стратегия теплового управления.
«Шаттл» подошел к той же проблеме с другой стороны. Двери грузового отсека были облицованы радиаторными панелями. После выхода шаттла на орбиту экипаж открывал эти двери. Это открывало радиаторы воздействию холода глубокого космоса, позволяя теплу излучаться в пустоту. Это был немедленный, ручной ответ на ожидающую тепловую проблему.
Почему астронавты все равно мерзнут
Если вакуум является таким эффективным изолятором, почему астронавты жалуются на холодные пальцы во время выходов в открытый космос? Физика теплопередачи в вакууме создает парадокс.
Хотя сам космос не проводит тепло, ваше тело быстро теряет тепло через излучение. Ваша кожа излучает инфракрасную энергию в окружающий вакуум. В термосе это излучение отражается от стенок и остается внутри. В космосе оно уходит наружу без возврата.
Более того, если вы находитесь на прямом солнечном свете, вы поглощаете огромное количество энергии. Если вы находитесь в тени, вы теряете энергию. Разница температур между освещенной солнцем и затененной сторонами скафандра экстремальна. Ваши пальцы, будучи конечностями с меньшим кровотоком, теряют тепло быстрее, чем ваше ядро. Системы терморегуляции скафандра должны постоянно корректироваться, чтобы предотвратить обморожение конечностей, одновременно предотвращая перегрев туловища.
Проблема «холодных пальцев» подчеркивает критическую истину о проектировании космических аппаратов. Вы не можете полагаться на температуру окружающей среды. Вы должны проектировать с учетом излучения.
Практические выводы для земной инженерии
Принципы, используемые в аэрокосмической отрасли, применимы к высокоэффективной изоляции на Земле. Если вы рассматриваете ремонт дома или проекты своими руками, связанные с тепловой эффективностью, помните, что блокировка конвекции и теплопроводности — это только половина дела. Вы также должны учитывать радиационный теплообмен.
Материалы с высокой излучательной способностью (эмиссивностью) хорошо излучают тепло. Материалы с высокой отражательной способностью блокируют его. Именно поэтому лучевые барьеры на чердаках часто имеют алюминиевую фольгу. Они отражают лучистое тепло обратно
