¿A qué velocidad se puede alejar el calor de una fuente pequeña?

Imaginemos que la parte más caliente del aparato es el cañón, por así decirlo, que es cilíndrico de longitud$l$, radio$r$y temperatura$T_b$. Podemos rodearlo con un fluido de temperatura$T_f$. Ahora, el barril tiene un coeficiente de transferencia de calor de$h$. El cambio en la energía térmica del barril con el tiempo,$\dot{Q}$, es

• Un mayor coeficiente de transferencia de calor conduce a un enfriamiento más rápido.
• Un área más grande sobre la cual transferir el calor conduce a un enfriamiento más rápido.
• Una mayor diferencia de temperatura conduce a un enfriamiento más rápido.

$h$depende en gran medida de las propiedades de los materiales, que pueden ser duros. Sin embargo, podemos hacer algunas estimaciones para las otras cantidades.

• La fuente es portátil (lo que entiendo implica que podría caber en una camioneta grande, por ejemplo), así que estimaré que$l=3\text{ m}$y$r=0.05\text{ m}$(quizás este último es un poco grande). Esto lleva a$A=0.942\text{ m}^2$.
• Seamos extremadamente generosos y digamos que el láser alcanza temperaturas de unos$T_b=1,000\text{ K}$. Esto realmente lo está estirando. En cualquier caso, incluso si$T_f$esta cerca de$0\text{ K}$, la diferencia$\Delta T$no puede ser mayor que$1,000\text{ K}$. Por lo tanto, deja$\Delta T\sim1,000\text{ K}$.

Los mejores coeficientes de transferencia que puedo encontrar son en realidad agua a agua. Sin embargo, aire a vapor puede producir una$h=17\text{ W m}^{-2}\text{ K}^{-1}$a través del cobre (que tiene un punto de fusión más alto que las temperaturas involucradas aquí). Por lo tanto, tenemos

Hasta donde yo sé, el récord de disipadores de calor enfriados por agua es... en realidad varios diseños diferentes (busque "agua de disipador de calor MW/m2"), hay varios documentos sobre disipadores de calor que pueden manejar más de 20 megavatios/m2 (esa es la superficie del niveles de sol). Recuerdo haber visto un diseño capaz de 40MW/m2, básicamente una placa de tungsteno o molibdeno con un montón apretado de chorros de agua supersónicos (el truco es mover el agua lo suficientemente rápido y con la fuerza suficiente para que no hierva) .

Pero su verdadero problema es la conductividad térmica del dispositivo en sí, siendo el diamante el mejor conductor térmico confirmado a ~2000W/m*K o 2kW/m2 de calor en un bloque de 1m de largo daría como resultado 1'K (1'C) diferencia de temperatura. ¿La solución? Hacer que dicho láser sea muy plano y largo, delgado y alto en el área de la superficie es la forma de obtener un enfriamiento realmente bueno.

Pero el verdadero poseedor del récord del disipador de calor más potente de la historia se encuentra en la etapa de preenfriador del motor de cohete híbrido SABRE, donde afirman que "el dispositivo experimental logró un intercambio de calor de casi 1 GW/m3", pero dado que usaba hidrógeno líquido, podría disparar apague su dispositivo láser de varios gigavatios mientras dure su suministro de hidrógeno líquido, entonces tendrá que esperar mientras condensa un poco más.

Por supuesto, el límite real será la eficiencia de los dispositivos. Si su dispositivo tiene una eficiencia del 90% (y algunas luces de laboratorio se están acercando bastante a eso ahora), entonces puede bombear ~ 10 GW continuamente por m3 de dispositivo hasta que se quede sin refrigerante.

Como nota al margen, recuerdo haber visto un documento sobre un condensador de nanotubos de carbono con una densidad de potencia de un par de megavatios/litro (o un par de GW/m3), pero parece que no puedo encontrar la página. (Las tapas de papel de aluminio pueden producir aún más energía, pero su densidad de energía es terrible en comparación, en varios órdenes de magnitud)

Por lo tanto, el límite superior de la tecnología actual, tanto en el disipador de calor como en las fuentes de energía, parece estar alrededor de la marca de gigavatios/m3. ¿Solución? Cambie su camioneta por una plataforma grande, un contenedor de 40' para el láser, otros 40' para el enfriamiento y un final de 40' para la fuente de alimentación y probablemente tenga un dispositivo de clase Terawatt que podría funcionar por una fracción apreciable de un segundo (y un gran tren de carretera también)

Evite el calentamiento excesivo del arma

Esto no es lo que estás preguntando, pero es una forma de evitar tener que enfriar tu arma, es decir, no sobrecalentar el arma en primer lugar. Una forma de lograr esto es tener sus fuentes de proyección de energía separadas entre sí lo suficiente como para que cualquier emisor se enfríe fácilmente. Luego haga que cada uno de los rayos se encuentre en el objetivo, uniéndose en un solo rayo con interferencia constructiva.

Si lo desea, puede incorporar estaciones/vehículos de rebote para que sus haces se puedan generar desde muchos lugares diferentes y se reflejen de acuerdo con el punto de convergencia con aviones móviles, satélites, vehículos terrestres, etc.

Si lleva esta idea lo suficientemente lejos, puede tener enormes plantas de energía estacionadas en todo el mundo o sistema solar, ya sea móvil o no, y tener una red de estaciones de rebote capaces de dividir los haces para que ciertos porcentajes puedan enviarse simultáneamente a muchos destinatarios, es decir, alimentar muchas pistolas de mano, vehículos móviles, aeronaves, destructores, nanodrones, etc., todo al mismo tiempo.

Aquí tenemos que tener en cuenta la ley de enfriamiento de Newton, la ley de enfriamiento de Newton establece que la tasa de pérdida de calor de un cuerpo es proporcional a la diferencia de temperaturas entre el cuerpo y su entorno. Como tal, es equivalente a afirmar que el coeficiente de transferencia de calor, que media entre las pérdidas de calor y las diferencias de temperatura, es una constante. podemos optar por algo frío como nitrógeno líquido y darle a su arma un sistema de enfriamiento líquido, pero funcionará bien solo si su arma no se desmorona por su propio calor.

Apartar con la mano la parte generadora de energía hace que esta pregunta no sea muy efectiva.

La eficiencia es de suma importancia. Si el proceso es ideal, el 100% de la energía se convierte en el rayo láser. Entonces no tienes un problema de transferencia de calor. Los láseres más eficientes de la actualidad pueden convertir alrededor del 70 % de la electricidad en luz.

Para cualquier cantidad de calor generado, uno puede construir un intercambiador de calor lo suficientemente grande, para tener suficiente área de superficie, con millones de aletas disipadoras de calor, dada una pequeña diferencia de temperatura, para conducir todo el calor.

Por lo tanto, puedo decir que no hay límite en función de las restricciones proporcionadas.

En la práctica, siempre hay restricciones, como tamaño, peso, costo, etc. Por lo tanto, en el mundo real, las respuestas reales a los problemas reales se encuentran en el equilibrio de todas las restricciones.