Hier is een probleem waar bijna iedereen die de basisfysica begrijpt, over struikelt. Je weet dat een vacuüm een slechte warmtegeleider is. Het fungeert als ‘s werelds grootste thermoskan. Dus als je warmte vasthoudt in een ruimtevaartuig, zou het logischerwijs daar voor altijd moeten blijven. Maar ruimtevaartuigen blijven niet heet. Ze slagen erin overtollige thermische energie voortdurend af te voeren. Hoe?
Het antwoord ligt in het begrijpen hoe warmte beweegt als er geen lucht is om deze weg te voeren.
Stralingskoeling versus convectieve koeling
Op aarde is koeling eenvoudig. Je hebt convectie. Lucht beweegt. Fans draaien. Water kookt. Deze processen zijn afhankelijk van een medium – gas of vloeistof – om warmte weg te transporteren van een bron. In het vacuüm van de ruimte is er geen lucht. Geen convectie. Geen wind.
Ruimtevaartuigen zijn dus volledig afhankelijk van thermische straling. In het bijzonder infraroodstraling. Elk object zendt warmte-energie uit in de vorm van elektromagnetische golven. Hoe heter het object, hoe meer straling het uitzendt. In de ruimte is dit de enige manier om warmte te dumpen.
Dit fundamentele verschil verandert de techniek.
Denk eens aan het Skylab-station. Het moest de intense zonnestraling op zijn baanhoogte overleven. Ingenieurs bedekten delen ervan met goud. Goud is uitstekend in het reflecteren van infraroodstraling. Het houdt de warmte van de zon buiten. Maar het moet ook de hitte kwijt die wordt gegenereerd door zijn eigen elektronica, brandstofcellen en raketmotoren. Daarvoor werden grote radiatoren gebruikt.
Deze radiatoren moesten enorm zijn. Waarom? Omdat ze zonder convectie om hen te helpen veel harder moeten werken om dezelfde hoeveelheid energie kwijt te raken. Een radiator op aarde kan een ventilator gebruiken om lucht over hete vinnen te duwen. In de ruimte heb je alleen maar metalen platen in de leegte. Je hebt oppervlakte nodig om het gebrek aan convectieve hulp te compenseren.
Het geheime wapen van de shuttle
De Space Shuttle bracht deze uitdaging naar een lage baan om de aarde. Het ontwerp omvatte een slim passief koelsysteem dat in de deuren van de laadruimte was ingebouwd.
Deze deuren waren bekleed met radiatoren. Zodra de shuttle een baan om de aarde bereikte, moest de bemanning die deuren openen. Dit was niet alleen voor het uiterlijk. Het was de eerste stap in het thermische beheerproces. Door de radiatoren bloot te stellen aan de kou van de ruimte, kan de shuttle overtollige warmte afvoeren die wordt gegenereerd tijdens de opstijging en tijdens het aanmeren.
Als je naar de shuttle in een baan om de aarde keek, keek je naar een systeem dat warmte uitsluitend via elektromagnetische golven moest afstoten. Geen lucht. Geen vloeistofstroom. Gewoon straling.
Waarom astronauten het nog steeds koud krijgen
Het lijkt contra-intuïtief. Als de ruimte een perfecte isolator is, waarom maken astronauten zich dan zorgen over bevriezing? Of beter gezegd: waarom maken ze zich zorgen dat bepaalde delen van hun lichaam te koud worden terwijl de rest van het pak warm blijft?
Het ‘koudevinger’-probleem is een reëel probleem tijdens ruimtewandelingen. Het pak zelf is ontworpen om een stabiele interne temperatuur te behouden. Maar warmte verplaatst zich nog steeds via geleiding binnen de materialen van het pak. Als een stuk gereedschap heet wordt, of als een specifiek deel van het pak sneller warmte verliest dan andere, kan de astronaut plaatselijke afkoeling ervaren.
Het vacuüm isoleert het hele lichaam van de externe omgeving. Het voorkomt dat warmte naar buiten de ruimte in ontsnapt. Maar het verhindert niet dat de warmte rond beweegt in het pak of tussen aangesloten componenten. Dit is de reden waarom thermische controlesystemen in pakken zo complex zijn. Zij moeten intern leiding geven
