¿Cómo planea SpaceX lidiar con la evaporación en el viaje a Marte?

Esta es una muy buena pregunta y la respuesta probablemente no sea conocida al 100%, incluso por SpaceX en este momento.

Sin duda tendrán algo de enfriamiento activo para minimizar la evaporación.

Estructuralmente, hay trucos que pueden jugar. Por ejemplo, el combustible de aterrizaje se almacena en un tanque más pequeño, que se sumerge en el tanque principal. Por lo tanto, el área de superficie para calentar se reduce seriamente.

Puedes verlo en esta imagen del diseño ITS 2017:

En la sección denominada Tanques de propelente, hay un conjunto más pequeño de tanques en el interior.

En lugar de una pequeña cantidad de combustible en el fondo del tanque (o tal vez flotando sobre él, mientras está en tránsito), tendrán una pequeña cantidad de combustible en un tanque pequeño, dentro del otro tanque que fue enfriado por el combustible/oxidante. allí antes (más cualquier sobrante).

Espero que veamos muchos cambios en el diseño antes del primer vuelo, por esta y muchas otras razones.

Creo que el factor más importante para evitar la evaporación es no usar hidrógeno.

Los puntos de ebullición atmosféricos de los propulsores elegidos son los siguientes:

El espacio es un lugar de temperaturas extremas: asado al sol, pero bastante frío a la sombra. Wikipedia da una temperatura mínima (presumiblemente nocturna) en el ecuador lunar de 100 K y 35 K en algunos cráteres polares. Estas cifras de temperatura sugieren que teóricamente debería ser posible mantener una nave espacial no tripulada a alrededor de 100 K con una simple sombrilla , lo que permitiría mantener el metano líquido indefinidamente a una presión atmosférica ligeramente inferior a la terrestre y el oxígeno a una presión atmosférica ligeramente superior a la terrestre.

El hidrógeno se considera tradicionalmente el mejor combustible de etapa superior, a pesar de requerir grandes depósitos por su baja densidad, por el excepcional impulso específico que consigue. Habría sido más sencillo generar propulsor de hidrógeno en Marte que metano, ya que solo requeriría un electrolizador de agua sin el paso adicional del proceso Sabatier para convertir hidrógeno y dióxido de carbono en metano. Pero después de considerar brevemente el hidrógeno en las primeras etapas del desarrollo del motor Raptor, SpaceX lo abandonó rápidamente y sospecho que la principal preocupación era la ebullición en misiones de larga duración.

Además de elegir no usar hidrógeno, dudo que SpaceX haya pensado mucho en el tema de evitar la evaporación en las misiones a Marte todavía. Si bien las cifras anteriores muestran que es teóricamente posible mantener líquidos los propulsores elegidos sin un sistema activo, hay muchos factores a considerar y creo que se requerirán algunos sistemas activos. Un sistema completamente pasivo probablemente requeriría que la nave apunte directamente hacia o desde el Sol para mantener el parasol a 9 m de diámetro, y eso puede ser inaceptable. Además, el área de la tripulación deberá estar considerablemente más caliente que los tanques de propulsor y es posible que se filtre algo de calor. Como Geoffc ha señalado en su respuesta,

Tenga en cuenta que el telescopio espacial James Webb se colocará en una órbita de halo alrededor del punto de Lagrange Tierra-Sol y mantendrá una temperatura de 50 K aparentemente usando solo una sombrilla pasiva.

Los líquidos hierven cuando su presión de vapor excede la presión ambiental. La estructura de los tanques Starship limita la presión ambiental a 6 bar. Por lo tanto, para evitar que hierva, debe refrigerar por debajo de -170 °C (para O ₂ ) y -145 °C (para metano).

Cuando Starship se reabastece de combustible en la órbita terrestre, el combustible se puede subenfriar, pero no por debajo de -182 °C, ya que ese es el punto de congelación del metano. Para evitar la evaporación, el metano debe mantenerse entre -182 °C y -145 °C durante el viaje. Los números equivalentes para O ₂ son -219 °C y -170 °C. Si los dos tanques están en equilibrio térmico, el rango es de -182 °C a -170 °C para mantener ambos líquidos.

Si no se regulan, ¿los tanques se calentarán o enfriarán en un viaje a Marte? Brylle Reyes en https://www.academia.edu/934756/Thermal_Control_Handbook tiene un concepto interesante: una esfera estándar de cuerpo negro de 1 m con absortividad = 1,0, en equilibrio térmico con el espacio. Si la esfera está a 1 UA del sol, la temperatura de equilibrio es de +6 °C. A la distancia de Marte, la temperatura es de -47 °C. No es sorprendente que estas temperaturas estén cerca de las temperaturas planetarias promedio correspondientes.

Entonces, si rociamos Starship con pintura BBQ y lo hacemos girar con el eje perpendicular a la eclíptica, su temperatura se acercaría a estas temperaturas de equilibrio. Durante todo el viaje, la temperatura de la piel disminuiría, pero la temperatura del tanque aumentaría. El BBQ Black Starship necesitará enfriamiento para mantener las temperaturas del tanque en la "Zona Goldilocks".

Por supuesto, Starship no es BBQ Black. El escudo térmico es de alta absorción y altamente aislado. El lado brillante tiene menor capacidad de absorción pero no está aislado. Es como un saco de dormir con un lado hecho de una manta espacial y el otro lado de lana de cordero negra y esponjosa. Acuéstese demasiado cerca de una fogata caliente en una noche muy fría y se encontrará en el mismo dilema que Starship. Si enrolla el lado aislado hacia el fuego, el aislamiento lo protegerá del sobrecalentamiento y congelará sus bollos en el otro lado. Date la vuelta y volverás a calentar.

Esto es probablemente lo que hará Starship: usar el control de actitud para la termorregulación pasiva para mantener las temperaturas del tanque en la Zona Goldilocks.

Hay otros trucos: Para cuerpos negros, Absortividad = Emisividad = 1,0 a todas las temperaturas. Los materiales reales tienen diferentes emisividades a diferentes temperaturas. Este gráfico muestra perfiles de emisividad para acero SA508 pulido y con 3 tratamientos de oxidación diferentes. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0017931017325802

Los paneles solares pueden hacer una doble función como parasoles. Girar el morro hacia el sol puede calentar la carga útil mientras da sombra a los tanques.

Si se necesita un enfriamiento activo, se puede hacer circular CH ₄ u O _{2 líquido a través de un radiador en el lado sombreado donde se puede irradiar hacia el vacío, tratando de equilibrarse con la temperatura de fondo del microondas.} Si Starship estuviera orientado hacia el sol, el metano podría bombearse a través de las campanas de los Raptors como radiadores. El contenido del tanque podría enfriarse mientras la carga útil se calienta al sol en el otro extremo de Starship.