Це завдання збиває з пантелику майже кожного, хто розуміє основи фізики. Ви знаєте, що вакуум є поганим провідником тепла. Він діє як найбільший термос у світі. Отже, логічно припустити, що якщо замкнути тепло всередині космічного апарату, воно залишатиметься там вічно. Але космічні апарати не залишаються гарячими. Вони постійно позбавляються надмірної теплової енергії. Як вони це роблять?
Відповідь криється в розумінні того, як передається тепло, коли немає повітря, щоб забрати його.
Радіаційне охолодження проти конвективного охолодження
На Землі охолодження відбувається легко. Ми маємо конвекцію. Рухається повітря. Обертаються вентилятори. Кипить вода. Ці процеси залежать від середовища – газу чи рідини – для відведення тепла від джерела. У вакуумі космосу немає повітря. Нема конвекції. Нема вітру.
Тому космічні апарати повністю покладаються на теплове випромінювання. Зокрема на інфрачервоне випромінювання. Кожен об’єкт випромінює теплову енергію як електромагнітних хвиль. Чим гарячіший об’єкт, тим більше випромінювання він випромінює. У космосі це єдиний спосіб скинути тепло.
Ця фундаментальна відмінність змінює підхід до інженерного проектування.
Розгляньте станцію «Скайлеб». Їй треба було витримати інтенсивне сонячне випромінювання її орбітальної висоті. Інженери покрили деякі її частини золотом. Золото чудово відбиває інфрачервоне випромінювання. Воно не пропускає тепло сонця усередину. Але станції також необхідно позбавлятися тепла, що генерується власною електронікою, паливними елементами та ракетними двигунами. Для цього вона використала великі радіатори.
Ці радіатори мали бути потужними. Чому? Тому що без допомоги конвекції їм доводиться працювати набагато старанніше, щоб скинути ту саму кількість енергії. Радіатор Землі може використовувати вентилятор, щоб проганяти повітря через гарячі ребра. У космосі у вас просто є металеві пластини, що знаходяться у порожнечі. Вам потрібна велика площа поверхні, щоб компенсувати відсутність допомоги конвекції.
Секретна зброя «Шаттла»
Космічний шатл переніс цю проблему в низьку навколоземну орбіту. Його конструкція включала cleverну пасивну систему охолодження, вбудовану в стулки вантажного відсіку.
Ці стулки були облицьовані радіаторами. Як тільки шатл виходив на орбіту, екіпаж мав відкрити ці стулки. Це робилося непросто для краси. Це був перший крок у процесі теплового керування. Виставляючи радіатори на холод космосу, шатл міг скидати надлишкове тепло, накопичене під час сходження та під час стикування.
Якби ви подивилися на шатл на орбіті, ви б бачили систему, яка мала відводити тепло виключно за допомогою електромагнітних хвиль. Жодного повітря. Жодного потоку рідини. Лише випромінювання.
Чому астронавти все одно мерзнуть
Здається нелогічним. Якщо космос ідеальний ізолятор, чому астронавти турбуються про замерзання? Або, скоріше, чому вони турбуються про те, що певні частини їх тіла можуть надто сильно охолоне, тоді як решта скафандра залишається теплою?
Проблема холодного пальця є реальною проблемою під час виходів у відкритий космос. Сам скафандр розроблений підтримки стабільної внутрішньої температури. Але тепло все ще передається через теплопровідність через матеріали скафандра. Якщо інструмент нагрівається або якщо певна частина скафандра втрачає тепло швидше за інші, астронавт може відчувати локальне охолодження.
Вакуум ізолює все тіло від зовнішнього середовища. Він запобігає виходу тепла назовні в космос. Але він не перешкоджає переміщенню тепла всередині скафандра або між з’єднаними компонентами. Ось чому системи теплового контролю у скафандрах такі складні. Вони повинні керувати внутрішніми
