Sin números para "cantidades masivas de calor" o más detalles sobre el tamaño y otros detalles de su nave, creo que lo mejor que puede esperar es una descripción general de los conceptos básicos.

El calor fluye de concentraciones más altas a concentraciones más bajas. Si usa refrigeración para mover el calor de bajo a alto, nunca es 100% eficiente y producirá más calor total. La transferencia de calor tiene 3 métodos principales para mover el calor.

Conducción

El calor viaja entre los materiales en contacto entre sí.

ΔQ̇ = -k A ΔT/ΔX

La tasa de transferencia de calor ΔQ̇ depende de k la conductancia térmica del material, el área A en contacto, ΔT la diferencia de temperatura entre los materiales y ΔX la distancia entre los puntos de referencia de temperatura.

Esto se emplea internamente en la nave que mueve el calor, pero en el espacio con un vacío exterior no hay contacto con otros materiales, por lo que no ayuda a enfriar la nave en su conjunto aquí.

Convección

Un caso especial de Conducción donde el calor se transfiere a un fluido (líquido o gas) en contacto con su fuente de calor (piense en atmósferas o bajo el agua) esto es mucho más complicado ya que el fluido a menudo se mueve y, de lo contrario, el calor hará que el movimiento se transfiera más. calor que la simple conducción.

De nuevo, no aplicable fuera de la nave en el espacio ya que no hay fluido para contactar.

Radiación

Este es el más aplicable en aplicaciones espaciales. Si algo está caliente emite radiación térmica, a veces esto es visible si los objetos están lo suficientemente calientes, pero también ocurre en el espectro no visible.

Q = εσT⁴

ε es la emisividad del material con un valor máximo de 1, esto se puede mejorar mediante la selección del material y el uso de recubrimientos (es decir, pintura)

σ es la constante de Stefan-Boltzmann

y T es la temperatura.

La forma principal en que esto se usa prácticamente en naves espaciales es usar técnicas de refrigeración para mover el calor, concentrarlo y calentar ciertas partes de su nave para aumentar la cantidad de calor emitido como radiación (el calor emitido aumenta con la cuarta potencia, por lo que más caliente es igual a mucho más calor transferido). Las fuentes de calor del radiador deben colocarse de modo que el área de la superficie se aleje del barco para que la radiación que sale del área caliente no sea absorbida por otras partes del barco. Esto generalmente se hace con grandes aletas de radiador externas (a menudo confundidas con paneles solares en vehículos espaciales reales). Por lo tanto, su nave será puntiaguda con grandes aletas de enfriamiento en el exterior.

Métodos alternativos

• Un método de enfriamiento pasivo que usa radiación es reducir el calor entrante de la radiación del Sol usando sombra o reflexión (la mayoría de las naves espaciales son blancas para reflejar el calor). Esto no ayudará con el calor generado en la nave pero reduce el calor total presente.
• Transferencia de masa: de nuevo, se utilizan sistemas internos de transferencia de calor y refrigeración para calentar selectivamente ciertas áreas o elementos y luego desechar esa masa de su nave. La pérdida de calor es Q = m CT; m, masa, C, calor específico y temperatura T. Y no olvide sacar la energía de los cambios de fase, por lo que el hierro fundido o el vapor son buenos candidatos aquí. No es una estrategia a largo plazo ya que está perdiendo masa de un sistema limitado y eventualmente se quedará sin material para expulsar.
• Almacenamiento de calor. Usar lugares de almacenamiento interno para calentarse bajo carga o, alternativamente, tener presente un disipador de calor preenfriado para absorber el calor generado. Estos no proporcionan ninguna fuente neta de disipación de calor, pero podrían proporcionar un almacenamiento intermedio temporal del exceso de calor para luego ser expulsado mediante radiadores o intercambiado en el puesto comercial local o en el barco nodriza.
• Una tecnología semifutura interesante con aplicación en el área son los superconductores térmicos (actualmente solo exhibidos por helio líquido a temperaturas muy bajas), transfieren calor a través de sí mismos muy rápido. Aplique calor a un extremo y todo se calienta, no solo el extremo cerca del calor. Permitiría algunos diseños mejorados en la gestión del calor interno.
• Lo más importante es el uso efectivo de aislantes térmicos y el diseño del barco para evitar que el calor se vaya a donde no lo quieres. Su reactor de fusión y otros sistemas de la nave pueden funcionar bien a varios cientos de grados, pero es posible que las personas u otros sistemas críticos no funcionen bien en esas condiciones. El vacío del espacio es bueno para aislar, como hemos visto, es probable que sea necesario separar físicamente el compartimiento de la tripulación del reactor de fusión de alta energía.

Conceptos básicos de termodinámica

Las leyes fundamentales de la termodinámica dicen:

• La energía total en cualquier sistema aislado es constante.
• La energía térmica ligada (entropía) aumentará en sistemas aislados
• La energía térmica puede verse como el movimiento de partículas y, por lo tanto, puede verse como la energía cinética promedio de las partículas en un fluido (es decir, un medio en estado líquido o gaseoso)
• El flujo de temperatura sigue siempre la misma dirección que el gradiente de temperatura entre dos objetos:$\Delta \Delta \text T = \nabla \text T$
  • debido a esto, fluye solo de caliente a frío y la fuerza impulsora de cualquier cambio de temperatura es la diferencia de temperatura,$\Delta \text T$.
  • La energía térmica se calcula con$\text Q = \text {mc} \Delta \text T$, Q es la energía, m la masa del objeto, ca la constante material y$\Delta \text T$es la temperatura a la que elevamos la temperatura del objeto (entonces Q es la energía que le hemos "dado"), o la diferencia a 0 absoluto (entonces Q es la energía térmica total).
• La fuerza puede crear una diferencia de temperatura ya sea por:
  • aplicación de fricción en una parte del sistema o
  • transporte de un medio con una temperatura de un punto del sistema total a otro
  • los fluidos pueden cambiar su estado, densidad, volumen y temperatura, para la cuestión de un gas, esto se rige por la fórmula del gas :$\text {p V} = \text {n R T}$- presión , multiplicada por el volumen es el número de moléculas de gas multiplicado por la constante R del gas multiplicada por la temperatura

Solución parcial: Redistribución en el interior de la nave

Dentro de la nave tenemos algunos problemas a los que estamos acostumbrados en la tierra: tenemos una disposición de fuentes de calor que necesitan refrigeración (máquinas, electrónica, cuerpos humanos) y un medio gaseoso entre ellas.

Aquí una bomba de calor viene muy bien: debido a la fórmula de gas anterior, podemos poner una cantidad específica de gas bajo presión y aumentar su temperatura, o reducir su presión para bajarla. Con esto, podemos ayudar mucho en la transferencia de calor de unos puntos a otros, especialmente desde el interior de la estación hacia el exterior en los radiadores, acelerando la consecución del equilibrio. Mejor aún, la máquina puede continuar empujando todo el calor excesivo hacia el exterior de la estación, especialmente hacia los radiadores, donde comienza nuestro problema.

Análisis del problema: Espacio

El principal problema con el enfriamiento del espacio es que el espacio está cerca del vacío. Casi vacío significa que hay poco o ningún material (medio) para participar en la transferencia de calor, al menos no sin una pérdida de masa del barco.

En promedio, hay una densidad entre 0,1 átomos por centímetro cúbico y 1000 átomos en el mismo volumen, mientras que la temperatura de fondo cósmica es de unos 3 Kelvin. Eso es bueno por un lado (gran gradiente de temperatura, por lo que posiblemente un gran flujo), pero malo por el otro (poco o ningún material que pueda eliminar el calor).

Sí, el espacio es frío como el infierno, y puedes congelar un objeto con solo empujarlo fuera de la esclusa de aire, pero es muy, muy difícil enfriar tu nave con un intercambio térmico básico a través de la convección. Aún así, hay formas en las que podríamos ir, principalmente la radiación.

Solución 1: radiación / luz EM

Calentando bastante los objetos (generalmente por encima de 798 K = 525 °C = 977 °F), comienzan a mostrar incandescencia y emiten radiación térmica. En otras palabras: brillan. En este estado, disipan la energía térmica en forma de ondas EM (que es luz) además de la convección anterior (calentando las partículas de aire duro y dándoles algo de energía térmica).

Como la convección se ve muy obstaculizada por la falta de otro medio antes mencionada, la nave podría usar materiales con una capacidad térmica muy alta cerca de materiales que tienen un efecto incandescente muy bueno para disipar gran parte del calor en forma de radiación EM térmica para fuera de la estación. Como ejemplo (no calculado), podría usar tuberías llenas de metal líquido (me viene a la mente el litio) a una temperatura que haga que las tuberías brillen de rojo a amarillo. De lejos, no es la forma más eficiente, pero al menos es una forma de deshacerse del calor.

Solución 2: Expulsión de masa (calentada)

Pero la radiación no es la única forma de obtener algo de energía térmica del sistema. Hemos establecido que podemos transportar calor dentro de la estación con bombas de calor. En una emergencia, el flujo de calor podría redirigirse a algún módulo no esencial para calentarlo tanto como sea posible y luego deshacerse de todo el módulo. Esto separa la energía térmica que ahora se almacena en ese módulo del resto de la estación. Pero esta sería una forma extrema.

En lugar de deshacerse de módulos enteros sobrecalentados, es mejor enviar un poco de gas a baja temperatura (como nitrógeno líquido o hidrógeno), calentarlo con los ciclos de la bomba de calor y luego simplemente dejar que el gas salga de las rejillas de ventilación al espacio. Se ha gastado en gran parte debido a este proceso (fórmula de gas, ¿recuerdas?), y se expulsará de los puertos a alta velocidad: el calor residual en la estación puede convertirse en parte del Sistema de Control de Reacción/Aumento de la Estabilidad para mantener la estación donde se encuentra. supuestamente es. O se usa como etapa previa para los motores de una nave espacial, eliminando parte de la energía térmica a través del sistema de propulsión de la nave mientras prepara (precalienta) los combustibles para ella.

Si bien un sistema de este tipo es sin duda útil como ayuda en la propulsión o el alivio de calor de emergencia (simplemente ventile una sección sobrecalentada, luego lea la atmósfera), no puede ser el único método para mantener la nave fresca.

Escribo principalmente por esa parte en un comentario: siempre parece irónico que el enfriamiento sea un problema en el espacio...

Otras respuestas no han prestado suficiente atención a la ley de Stefan-Boltzmann:

¿Qué efectos prácticos tiene realmente esta ley? Para un emisor de cuerpo negro a una temperatura dada, la pérdida de calor por radiación será:

• 6000K - es el flujo de energía 73MW/m ² (fotosfera del Sol)
• 2000K - es flujo de energía 900kW/m ²
• 1000K - es flujo de energía 56.7kW/m ²

o temperaturas más habituales para nosotros:

• 300K - es 460W/m ²
• 250K - es 221W/m ² , refrigerante (amoníaco) en la estación ISS
• 200K - es 91W/m ² , lo más bajo posible para ISS antes de que el refrigerante comience a obstruir el sistema

El vacío no es un buen aislante, pero lo parece debido a las temperaturas en las que vivimos y trabajamos. El vacío no tiene convección ni conducción, que son modos importantes de transferencia de calor a temperatura ambiente. Pero a altas temperaturas, la transferencia radiativa se vuelve mucho más poderosa. El objeto de 1000K mencionado anteriormente emite tanto calor por área como una barbacoa de gas a plena potencia. En el contexto de objetos y espacios de alta temperatura, donde la transferencia de calor por radiación es el modo dominante, el vacío no es un aislante en absoluto.

pregunta del OP

Las decisiones de diseño inteligente resolverán su problema de transferencia de calor, y los nanotubos de carbono (CNT) son el material del futuro que le permitirá resolverlos.

El problema con los "fuegos artificiales con personas atadas encima" es la incompatibilidad entre las temperaturas que son aceptables para los humanos y las temperaturas que son aceptables para las máquinas. Así que sepáralos. Separar el volumen vivo de las unidades de generación de energía (reactor, motores).

Al separarlos, tiene 2 problemas diferentes para resolver: disipación de calor del volumen vivo (donde tenemos todos los componentes que no se pueden separar de los humanos o que tienen requisitos de temperatura similares a los humanos) donde 300K es la norma; y disipación de calor del reactor-motor donde 2000K puede ser una temperatura perfectamente normal.

Cuartos humanos

El diseño de esta sección depende del tamaño del barco, de los requisitos personales de volumen por persona, consumo de energía por persona.

Un ejemplo de consumo de energía por ser humano es 50kW; volumen por humano 1000m ³ (equivalente a una casa de 400 m ² o menos), temperatura superficial 300K. Con estas condiciones, hasta 90 humanos pueden vivir en un volumen de vida esférico de 54 m de diámetro y ni siquiera necesitan un radiador. Con un consumo de energía de 4,5MW, la superficie del módulo esférico es suficiente para emitir toda esa energía.

La esfera es una forma eficiente porque tiene un área de superficie mínima por volumen que encierra, lo que significa menos materiales de construcción y masa por volumen. Sin embargo, esta forma en el espacio no es tan crítica, y puede ser un cubo de Borgoña o alguna forma más plana con una mayor relación superficie/volumen. El diseño juega allí un papel importante. Los requisitos también son importantes.

Motores y reactor

Lo bueno de los reactores de fusión es que también pueden ser motores y unidades de generación de electricidad. Así que solo hablaremos de una unidad.

Es difícil hablar de ellos como ciencia dura, incluso cuando tenemos algunos éxitos con los reactores termonucleares, Wendelstein 7-X

Imágenes para ilustrar tomadas de projectrho.com Confinamiento Magnético

(La segunda imagen es un diseño bastante realista, una descripción general de la composición de un barco y tiene un radiador conectado de una manera que también podemos beneficiarnos. Bonita imagen genérica de un barco termonuclear en su conjunto)

Observe que la temperatura del plasma es alta y emite calor residual a un ritmo elevado. Tenemos que resolver el problema del calor de los solenoides, pero pueden ser capaces de funcionar a altas temperaturas, significativamente más altas que los 300K de un ser humano. Si mantenemos todo este compartimento a alta temperatura, los radiadores pueden tener una temperatura significativamente más alta y emitir mucha energía en una superficie relativamente pequeña.

CNT, propiedades térmicas

Se estima que la estabilidad de temperatura de los nanotubos de carbono es de hasta 2800 °C en el vacío y de unos 750 °C en el aire.

Si esto es cierto, entonces, dado que estamos en el vacío, podemos operar a 2000K mientras emitimos 1MW/m ² sobre nuestros radiadores.

Se espera que todos los nanotubos sean muy buenos conductores térmicos a lo largo del tubo, exhibiendo una propiedad conocida como "conducción balística", pero buenos aislantes laterales al eje del tubo. Las mediciones muestran que un SWNT tiene una conductividad térmica a temperatura ambiente a lo largo de su eje de aproximadamente 3500 W·m- ¹ ·K ^-1 ; compare esto con el cobre, un metal bien conocido por su buena conductividad térmica, que transmite 385 W·m ^-1 ·K ^-1 . Un SWNT tiene una conductividad térmica a temperatura ambiente a lo largo de su eje (en la dirección radial) de aproximadamente 1,52 W·m ⁻¹ ·K ⁻¹

Esto es exactamente lo que estamos buscando para un aislamiento en ese caso, ya que está libre de fábrica si hacemos las bobinas del solenoide con CNT. Podemos obtener un cable conductor, aislamiento para ese cable y soporte estructural, todo del mismo material.

Nota del editor: necesitará más referencias para convencerme de que el mismo paquete de nanotubos puede hacer los tres

MolbOrg: solicitud válida. Sin embargo, con un conjunto dado de factores como: mi competencia (motivo principal), dificultades para encontrar información, investigaciones en curso de CNT (SWNT, MWNT) sobre sus propiedades y datos no establecidos sobre CNT debido a problemas con su producción y propiedades de medición de un solo tubo - nanotubos de pared simple o de pared múltiple, cantidad de información necesaria para aclarar - parece que no es posible establecerlo con cierto grado de certeza en esta respuesta. Llamémoslo una fantasía sobre un motor termonuclear de carbono puro, que puede o no ser cierto. Sin embargo, algunas notas estarán debajo en la sección de notas ⁽¹⁾

La segunda cosa a notar son las bobinas y la separación entre ellas, en el vacío no necesitamos un recinto para el plasma. En la Tierra, en el campo de gravedad, lo necesitamos para la integridad estructural y para protegernos contra las fuerzas electromagnéticas y aislarnos de la atmósfera. En el espacio no necesitamos la mayor parte de eso, y definitivamente no lo necesitamos como una superficie sin espacios. De esta manera, la mayor parte del calor residual del plasma se emitirá directamente al espacio vacío sin necesidad de usar radiadores.

Célula de espejo 3He-D

Hay una unidad de generación de electricidad adjunta, un generador magnetohidrodinámico (MHD) que convierte el escape y las fugas de plasma en electricidad.

Entonces, los motores básicamente se ven como una malla hecha de vigas estructurales y anillos de bobina, con una boquilla adjunta o una unidad de generación de energía en cada extremo (o en uno de los extremos, también es posible).

Otro paso es que este motor no tiene por qué tener fijación fija al habitáculo. El mismo CNT se puede usar para hacer cables robustos (igual que la gente imagina para el ascensor espacial ) para conectar motores de manera flexible y a una distancia significativa de las viviendas, para no interferir con sus soluciones emisoras de calor.

... ¿deshacerme de estas enormes cantidades de calor en mi nave espacial?

La respuesta es, no genere estas cantidades masivas de calor dentro de su nave espacial, y use las excelentes propiedades de transferencia de calor del vacío tanto como sea posible.

Nota

1. Nanotubos de carbono como conductor, aislante, elemento de resistencia estructural (también conocido como haz de una cuerda)

   • en primer lugar, se consideró la situación desde el punto de vista del problema del calor, ya que es una preocupación de OP. Y algunas propiedades de los CNT son interesantes en este contexto y vale la pena señalarlas.
   • aislamiento que funcionará a esa temperatura: la cerámica es lo suficientemente buena para eso, Al ₂ O ₃ como ejemplo. No hay necesidad de usar solo carbono para eso, incluso si es posible, como creo, como una estructura un poco más compleja que simplemente SWNT, SWNT / MSNT dopado por algo.

   • El motor al que me refiero, o que uso como modelo, se describe aquí . Es buena como idea, pero todo por eso.
     No es un artículo científico de ninguna manera, incluso si el autor trata de referirse a algún equipo probado y se refiere a algunos trabajos de la comunidad científica para ese momento y campo. Pero incluso tiene algunas críticas que no son científicas, solo a los aficionados les gustan ese tipo de cosas.
     El motor es solo un concepto, con algunos números en su descripción. Sin embargo, los números parecen razonables, no para sacar conclusiones, sino para tener alguna pista sobre lo que podemos necesitar, y en su mayoría no son exclusivos de ese concepto.

   • hacer vigas con cuerdas - hay opción. Un ejemplo de bolsa blanda en forma de salchicha grande actuará como un rayo, a mayor presión interior, mejor rayo será. Igual que con la manguera contra incendios. La fuerza de los CNT es de aproximadamente 60-100 GPa (depende de quién y cómo hizo las mediciones, y qué tipo de CNT han probado) y eso permite tener una presión bastante alta con pocos materiales. Los medios internos que se comprimen pueden ser cables hechos de CNT, y la presión se crea mediante el enrollado preestirado de la cubierta externa que crea esa bolsa y presión alrededor del cable. Todos juntos tendrán propiedades de viga sólida. Pero lo más simple de imaginar es una estructura inflable que forma una forma rígida. Hay otra opción: en bobinado (en primer lugar), en el uso de matriz compuesta, interacción electromagnética, estructuras activas.

Todos estos problemas están mucho más allá de la pregunta de OP, pero descubrimos usos para los nanotubos de carbono y estamos lejos de explotar todo lo que nos ofrecen. Es ese material del futuro - seguro. Apuesto a que reemplazará el acero y otros materiales de construcción en casi todas partes, lo haré. Como ciencia dura es el mejor material que tenemos actualmente, no hay duda. Parece que incluso tiene propiedades superconductoras, alrededor de 0,5 K, pero aún así - Propiedades eléctricas y aplicaciones de las estructuras de nanotubos de carbono, página 9

Entonces, en lo que respecta a los interesados ​​en materiales futuros, lo es. Puede ser lo mismo que la gente hace 100 años pensaba que la química haría la magia y puede resolverlo todo, y no lo hizo, incluso si juega un papel importante hoy.

Una solución simple podría ser cómo el Apollo LEM descartó el exceso de calor de sus componentes electrónicos. Expusieron el agua al vacío del espacio, donde se evaporó, absorbiendo el calor del disipador de calor en el exterior de la nave espacial sobre la que se roció el agua.

Sin agua, un disipador de calor no puede irradiar calor en el vacío del espacio... no hay aire que se lleve el calor.

Considere usar enfriamiento termoeléctrico y tendrá la oportunidad de generar energía adicional para su nave espacial.

https://en.wikipedia.org/wiki/Generador_termoeléctrico

Monte el generador Seebeck en la pared de su nave espacial y use disipadores de calor para dirigir el calor al generador desde el interior. Cuanto mayor sea la diferencia entre las placas, más energía podrá generar a partir de ella.

No podrá enfriar todo el exceso de calor a través de este proceso, por lo que puede usar radiadores para enfriar el resto.