¿Cómo se protegen los astronautas en la ISS de descargas eléctricas?

En la Tierra, la mayoría de los aparatos eléctricos que tienen partes metálicas expuestas, como la plancha eléctrica, están conectados a tierra para proteger al usuario de una descarga eléctrica cuando un cable sin aislamiento entra en contacto accidentalmente con la parte metálica. El cable de tierra (tierra) se conecta a un buen conductor como el cobre y este último se entierra en el suelo (tierra), que actúa como una fuente/sumidero infinito de cargas para mantener el potencial eléctrico del meatal en límites seguros, para evitar descarga eléctrica.

Pero, en la ISS, obviamente, debe haber un cable de tierra, pero no conectado a tierra (tierra), sin embargo, ya que es imposible unir la ISS y la tierra con un cable debido a su movimiento.

Entonces, ¿ cómo se protegen los astronautas de la ISS de las descargas eléctricas? Puede que no estén usando plancha eléctrica, pero toda la estación está llena de aparatos eléctricos para soporte vital, experimentación, mantenimiento de la estación, etc., con partes metálicas expuestas. Inicialmente pensé que la puesta a tierra debía estar conectada al casco metálico de la ISS, pero luego me di cuenta de que la estructura no es lo suficientemente grande (en comparación con la tierra) para actuar como una fuente/sumidero infinito de cargas. Entonces, ¿cómo resuelven los ingenieros este tipo de problema en el espacio ?

Las respuestas a esta pregunta son relevantes.
Los barcos tienen el mismo problema y solución.
@RonBeyer Supongo que los aviones también lo hacen. Quiero decir, realmente incluso los autos lo hacen, ya que su único contacto con el suelo es a través de neumáticos de goma no conductores.
No. El compuesto de caucho que se usa en las llantas tiene aditivos que hacen que las llantas sean lo suficientemente conductivas para no acumular carga estática en el automóvil.
Vale la pena señalar que el mecanismo de puesta a tierra eléctrica en los aviones es ligeramente diferente (hasta donde yo sé). Los aviones tienen muchos palos pequeños con puntas afiladas, estos son para minimizar la acumulación de carga estática en el fuselaje del avión debido a su movimiento en el aire, así como debido a la conexión a tierra eléctrica. Estos palos ayudan debido al principio de descarga de corona . Por lo tanto, ayudan a mantener el avión casi al mismo potencial que el aire. Pero en la estación espacial, no podemos usar esto ya que la descarga de corona requiere un medio fluido.
@Hobbes Está bien. Acababa de escuchar que había problemas no tanto con los automóviles, sino con los grandes semirremolques y la acumulación de estática, y tenían una correa que colgaba y se arrastraba por el suelo para descargarla, o pasaban por debajo de correas colgantes. en una cabina de peaje que hizo lo mismo. Esto podría estar desactualizado, ya que no creo haber visto tales correas recientemente, pero no soy camionero, por lo que no estaría seguro.

Respuestas (3)

No es el nivel real de carga (potencial) lo que provoca una descarga eléctrica. sino estar conectado a dos cosas (como tu hierro y el suelo) que están en diferentes niveles. Por eso las aves pueden sentarse en una línea aérea de 750kV y no freírse. El cable de tierra en un sistema doméstico existe para mantener todo el metal expuesto al mismo potencial. Poner a tierra todo en el marco de la ISS debería funcionar bien para los astronautas, excepto quizás cuando un vehículo entrante necesita atracar, entonces deberían asegurarse de que no haya una gran diferencia de potencial entre los dos. No sé cómo se hace eso.

Gracias por tu respuesta. Si los dos vehículos acoplados tienen diferentes potenciales, es posible que veamos chispas de alto voltaje, similares a los pantógrafos en los trenes eléctricos cuando tocan o pierden el contacto con la línea de voltaje. ¡Pero no vemos nada como eso!
@Intellex ¿Cómo lo sabes con certeza? El video de baja resolución del acoplamiento de una nave espacial no muestra todo: en casi todos los acoplamientos que he visto, el anillo de acoplamiento completo está oculto detrás de la estructura de la nave espacial durante el último metro más o menos del acercamiento.
@Hobbes, pero tenemos las imágenes de la nave espacial acoplada (el transbordador espacial, por ejemplo), y no vemos ningún destello brillante. Pero tu opinión también es razonable.
@Intellex, el vacío es un muy buen aislante, y el destello de luz es en gran parte gas ionizado que produce luz, por lo que dos naves espaciales en contacto con diferentes potenciales no producirán el mismo destello que producirían dos aviones o algo similar. Dicho esto, ciertamente habría una descarga y soldarte accidentalmente a la ISS sería incómodo.
@Intellex: la NASA investigó esto . Las descargas ocurren con una separación de aproximadamente 7 mm, y parece que la descarga es el resultado de la fusión de las dos capas de plasma. Esto parece evitar una descarga de arco localizada.
Re, "...los pájaros pueden sentarse en una línea aérea de 750kV..." ¿Ha visto alguna vez un pájaro en una línea de 750kV? Estoy bastante seguro de que nunca lo he hecho. Hay tipos que son dejados en helicóptero para "trabajar en caliente" en esas líneas. Puede verlo en YouTube y ver cómo se visten: tanto el liniero como el piloto usan trajes de jaula de Faraday de cuerpo completo para protegerse del campo eléctrico de CA que rodea el cable. Sin el traje, acercarse a unos pocos metros del cable induciría corrientes eléctricas incómodas/peligrosas dentro de sus cuerpos. Las aves son más pequeñas (menos capacitancia corporal), pero aun así...
@SolomonSlow Eso es todo solo por la CA de 50 o 60 Hz, pero no por el alto voltaje en sí. Los potenciales eléctricos, como se analiza aquí, son estáticos.
Las líneas de alto voltaje de largo alcance en Europa suelen ser de CC
@asdfex Ciertamente los he visto en líneas de CA de 400 kV cerca de mí, pero la mayoría de las aves que se posan en los cables prefieren posarse más abajo, por lo que verá mucho más en las líneas más bajas (altura y voltaje).
@SteveLinton fuente? Que yo sepa, todas las redes eléctricas en Europa (¿y en cualquier otro lugar?) utilizan líneas de alimentación de CA para reducir las pérdidas.
@Baldrickk en realidad DC es más eficiente para la transferencia de energía a larga distancia debido al efecto de piel; la resistencia/impedancia del cable es efectivamente menor para CC. La razón por la que las líneas eléctricas eran tradicionalmente CA es simplemente porque el alto voltaje es lo que aumenta la eficiencia (porque P = I ^ 2R), y tradicionalmente no había forma de transformar CC de alto voltaje en CC de bajo voltaje y viceversa, mientras que con CA es trivial con transformadores. Hoy en día tenemos electrónica de potencia que puede hacer esa conversión de voltaje, por lo que es preferible CC.
@Muzer está bien. En ese caso, necesito actualizar mis conocimientos sobre este asunto.
La CC de larga distancia también se beneficia en el sentido de que puede operar a un voltaje ~41 % más alto (raíz cuadrada de 2) y, como resultado, transportar más energía y aprovechar los beneficios adicionales de I^2R. Esto se debe a que es necesario dimensionar el espaciado/aislamiento/etc. de las líneas para voltajes máximos que para CA son más bajos que el nivel promedio de RMS que refleja la cantidad de energía transportada.
En distancias más cortas, las pérdidas de eficiencia de los convertidores de potencia de CC combinadas con sus costos iniciales más altos significan que la CA es aún más rentable; pero a medida que los precios del hardware de CC continúan bajando lentamente, es cada vez más una opción para las nuevas líneas. Para las líneas antiguas que funcionan cerca de la capacidad máxima, el argumento para actualizar la transmisión de CC puede ser mayor porque el nuevo hardware de CC solo tiene que ser más económico que ejecutar líneas de distribución adicionales; y desarrollarlos es mucho más costoso que simplemente actualizar el hardware en ambos extremos.
@Baldrickk, la primera fuente obvia es wp:HVDC . Europa no es el mejor ejemplo aquí, ya que solo las líneas de CC en Europa son las submarinas, ya que las terrestres no tienen largas distancias sin nodos. Pero los lugares que tienen líneas de grandes fuentes remotas como Brasil o China usan líneas de CC de más de 1 000 kV.
@SolomonSlow, la manera obvia de saber que las aves pueden aterrizar de manera segura en las líneas eléctricas de alto voltaje es observando la falta de aves muertas en el suelo.
@trapper, podría haber muchas explicaciones para eso. Una posibilidad podría ser que las aves no tengan que morir para saber que no es un buen lugar para estar.

"Tierra" no funciona de la manera que podría pensar.

En cualquier caso, en un vehículo de casi cualquier tipo, se sustituye "tierra" por "chasis metálico".

Tu pregunta se basa en un error muy común: que la electricidad quiere volver a la tierra. En realidad, la electricidad quiere volver a la fuente .

  • Por ejemplo, los electrones en la terminal negativa de una batería quieren regresar a su terminal positiva.
  • El terminal positivo es deficiente en electrones, pero tiene hambre de electrones del terminal negativo; ninguna de las fases del generador delta trifásico aislado cercano.
  • La corriente de una de las fases del generador quiere volver a otra fase, no a la batería ni al chasis de la estación oa esa gran canica azul de ahí abajo.

Todo esto se confunde con una técnica utilizada en el cableado de la red: donde los sistemas de alimentación de CA, en gran parte aislados, se conectan intencionalmente a tierra. He ejecutado un sistema de alimentación de CA normal de 120/240 V completamente aislado. Pero puede flotar hasta voltajes inesperados; de hecho, tuve un salto de pierna de 120 V hasta 240 V sobre el suelo, y el neutro flotó a 120 V sobre el suelo. Imagínese si hubiera flotado a 2000 V sobre el suelo, por ejemplo, debido a una fuga en el transformador. Para evitar esto, agregamos un enlace equipotencial para sujetar el sistema a un voltaje cercano a la tierra. Es más económico conectarlo directamente a un cable del sistema, y ​​ese cable está etiquetado como "neutro".

Debido a este enlace equipotencial, "caliente" todavía quiere regresar a la fuente (neutral u otra caliente), pero la tierra lo hará , solo porque está conectada a neutral. De ahí viene ese concepto erróneo .

En un vehículo, la idea de "tierra" se reemplaza por "chasis". La elección de vincular o aislar completamente se realiza caso por caso. Generalmente une un sistema y aísla los otros. (Coches, locomotoras diésel: bajo voltaje; vagones eléctricos de metro: alto voltaje porque hay que hacerlo).

Y en los vehículos, el chasis a menudo también se usa como un retorno de corriente normal para el sistema unido, fusionando efectivamente la función de tierra y neutral.

Un sistema aislado normalmente tiene una conexión al chasis: a través de un "relé de falla a tierra". Cualquier corriente de fuga al chasis intentará regresar a través del relé de falla a tierra, disparándolo.

Supongo que la nave espacial será como un avión; la elección entre unir o aislar se decidirá por consideraciones de seguridad y peso. Los voltajes más bajos necesitan cables más gruesos para transportar la misma potencia efectiva, por lo que se benefician más de un chasis masivo como retorno de corriente.

Creo que esta es una buena respuesta una vez que me metí en ella, pero el principio me desconcertó. Creo que podría haber comenzado con: 'En un vehículo, la idea de "tierra" se reemplaza por "chasis"' en lugar de discutir a dónde quiere regresar la electricidad. Desde mi punto de vista, los portadores de carga van donde el potencial eléctrico local les dice que vayan. No estoy seguro de que el concepto de que quieran regresar a alguna parte sea tan útil.
@WaterMolecule Buena sugerencia. De acuerdo, la semántica de describir el potencial es difícil. Algunas personas se oponen a describirlo como deseo, pero entonces, tienes "potencial para decirles", por lo que no hay muchas buenas opciones.
Soy una especie de fan de la analogía hidráulica . Imagine los polos como los dos extremos de un río, por supuesto con un extremo en la elevación más alta y el otro en la más baja. El agua solo quiere ir cuesta abajo.
¡Sí! Un excelente ejemplo del mundo real (que es anterior al uso generalizado de dispositivos GFC/RCD) es la salida de máquinas de afeitar británica BS4573 . Estos son comunes en los cuartos húmedos del Reino Unido y están alimentados por un transformador de aislamiento simple. Al pasar por el transformador de aislamiento, se rompe la conexión a tierra y el camino de electrocución a tierra con él. La única forma de obtener una descarga de tal toma de corriente es completar el circuito de regreso al otro polo (y no dejar caer la afeitadora en la bañera...).
El artículo vinculado en el comentario sobre la otra respuesta dice que la nave espacial está polarizada a un voltaje negativo cuando sus paneles solares están encendidos, lo que sugiere que el terminal "neutral" (negativo como CC) está conectado al chasis.

La respuesta se da en el hilo vinculado en el comentario de @KaushikGhose:

Los paneles solares de la estación espacial funcionan a 160 V CC. Cuando los arreglos están produciendo energía, la estructura de la estación también tenderá a flotar a un voltaje cercano al voltaje del arreglo. En estas condiciones, la estación espacial podría estar sujeta a problemas como la formación de arcos desde su superficie hacia el entorno circundante, o la formación de arcos hacia un astronauta. Para evitar estos problemas, la estructura se ha puesto a tierra con una Unidad de Contactor de Plasma (PCU). Para proteger a los astronautas de los peligros de descargas eléctricas, la PCU se opera durante todas las caminatas espaciales.

La PCU actúa como una varilla de conexión a tierra eléctrica para conectar la estructura de la estación espacial al entorno local y disipar las cargas de la estructura de manera inofensiva. Los ingenieros de Glenn [NASA Glenn Research Center - ed.] diseñaron, fabricaron, probaron e instalaron el conjunto de cátodo hueco, que es el componente crítico de la PCU. El conjunto de cátodo hueco realiza esta función convirtiendo una pequeña cantidad de gas en iones y electrones y descargando esta corriente al espacio. La corriente lleva consigo el exceso de electrones que crearon la carga superficial.

De la hoja informativa de la NASA PS-00537-0811, "Powering the Future" .

Eso cubre las operaciones en la ISS y durante los EVA. La pregunta sigue siendo qué hacer con los vehículos cargados de manera diferente a punto de atracar. Mientras está acoplado, el estándar de acoplamiento internacional especifica un

Cable de seguridad a tierra [que] proporciona conexión a tierra de unión entre vehículos

Sin embargo, no pude encontrar ninguna información sobre si se requiere o no que todos los vehículos entrantes ejecuten una PCU. De lo contrario, es posible que el cable de tierra mencionado anteriormente esté sobrecargado. Especialmente, esperaría que el estándar de acoplamiento especifique algún tipo de diferencia de potencial máxima o similar, sobre la cual tampoco pude encontrar ninguna información.

Sobre el último párrafo: No hay forma de "sobrecargar" un cable. La carga almacenada es tan baja que, incluso si los vehículos tienen un potencial diferente de 5 kV, la descarga resultante es casi la misma que se puede obtener de una cerca eléctrica (las que se usan alrededor de los prados).
@asdfex Los cables se pueden sobrecargar, pero sí, sería bastante sorprendente que se pudieran sobrecargar por una descarga de electricidad estática. Sobrecargar un cable generalmente requiere una corriente bastante alta durante varios segundos (al menos).
¿Cómo se protegen los astronautas en la ISS de descargas eléctricas?
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