Problem ten wprawia w zakłopotanie niemal każdego, kto rozumie podstawy fizyki. Wiadomo, że próżnia jest złym przewodnikiem ciepła. Pełni funkcję największego termosu na świecie. Dlatego logiczne jest założenie, że jeśli zatrzymasz ciepło we wnętrzu statku kosmicznego, pozostanie ono tam na zawsze. Ale statki kosmiczne nie pozostają gorące. Stale pozbywają się nadmiaru energii cieplnej. Jak oni to robią?
Odpowiedź leży w zrozumieniu, w jaki sposób ciepło jest przenoszone, gdy nie ma powietrza, które mogłoby je unieść.
Chłodzenie radiacyjne a chłodzenie konwekcyjne
Na Ziemi ochłodzenie następuje łatwo. Mamy konwekcję. Powietrze się porusza. Wentylatory kręcą się. Woda się gotuje. Procesy te opierają się na medium – gazie lub cieczy – w celu usunięcia ciepła ze źródła. W próżni kosmicznej nie ma powietrza. Brak konwekcji. Nie ma wiatru.
Dlatego statki kosmiczne opierają się całkowicie na promieniowaniu cieplnym. W szczególności na promieniowanie podczerwone. Każdy obiekt emituje energię cieplną w postaci fal elektromagnetycznych. Im cieplejszy obiekt, tym więcej emituje promieniowania. W kosmosie jest to jedyny sposób na odprowadzanie ciepła.
Ta zasadnicza różnica zmienia podejście do projektowania inżynierskiego.
Weź pod uwagę stację Skylab. Musiała wytrzymać intensywne promieniowanie słoneczne na swojej wysokości orbitalnej. Inżynierowie pokryli niektóre jego części złotem. Złoto doskonale odbija promieniowanie podczerwone. Nie pozwala na przedostawanie się ciepła słonecznego. Stacja musi jednak pozbyć się ciepła generowanego przez własną elektronikę, ogniwa paliwowe i silniki rakietowe. Aby to zrobić, użyła dużych grzejników.
Te grzejniki musiały być masywne. Dlaczego? Ponieważ bez pomocy konwekcji muszą pracować znacznie ciężej, aby uwolnić tę samą ilość energii. Grzejnik na Ziemi może wykorzystywać wentylator do przepychania powietrza przez gorące żebra. W kosmosie po prostu metalowe płyty leżą w pustce. Potrzebujesz większej powierzchni, aby zrekompensować brak pomocy konwekcji.
Tajna broń promu
Wahadłowiec kosmiczny przeniósł ten problem na niską orbitę okołoziemską. Jego konstrukcja obejmowała sprytny pasywny system chłodzenia wbudowany w drzwi przedziału ładunkowego.
Drzwi te były wyłożone grzejnikami. Gdy tylko prom wszedł na orbitę, załoga musiała otworzyć te drzwi. Nie zrobiono tego tylko ze względu na urodę. Był to pierwszy krok w procesie zarządzania ciepłem. Wystawiając grzejniki na działanie chłodu kosmicznego, wahadłowiec mógłby uwolnić nadmiar ciepła nagromadzonego podczas wynurzania i dokowania.
Gdybyś spojrzał na prom na orbicie, zobaczyłbyś system, który miał usuwać ciepło wyłącznie za pomocą fal elektromagnetycznych. Brak powietrza. Brak przepływu płynu. Tylko promieniowanie.
Dlaczego astronautom wciąż jest zimno
Wydaje się sprzeczne z intuicją. Jeśli przestrzeń jest doskonałym izolatorem, dlaczego astronauci martwią się zamarznięciem? A raczej: dlaczego martwią się, że niektóre części ich ciała staną się zbyt zimne, podczas gdy reszta kombinezonu pozostanie ciepła?
Problem zimnych palców to prawdziwy problem podczas spacerów kosmicznych. Sam kombinezon zaprojektowano tak, aby utrzymywał stabilną temperaturę wewnętrzną. Jednak ciepło nadal jest przenoszone poprzez przewodzenie przez materiały skafandra. Jeśli instrument się nagrzeje lub pewna część skafandra będzie tracić ciepło szybciej niż inne, astronauta może doświadczyć miejscowego ochłodzenia.
Próżnia izoluje całe ciało od środowiska zewnętrznego. Zapobiega ucieczce ciepła na zewnątrz w przestrzeń kosmiczną. Nie zapobiega to jednak przemieszczaniu się ciepła w kombinezonie lub pomiędzy połączonymi elementami. Właśnie dlatego systemy kontroli temperatury w skafandrach kosmicznych są tak złożone. Muszą zarządzać wewnętrznie
