No necesitarás hacer nada elegante

A más de 5 AU de una estrella, el espacio interestelar tiene una temperatura promedio de alrededor de 2 grados Kelvin.

La ecuación de la potencia radiante es:

$P_{radiant} = A \epsilon \sigma T^4$

Dónde$\sigma$es la constante de Boltzman =$5.67 \times 10^{-8} W \times m^{-2} \times K^{-4}$

Suponiendo que los radiadores de su barco no estén muy calientes (25$^0C$/ 300$^0K$), son bastante buenos ($\epsilon$~ 1) y puede hacer uso de toda el área de superficie de su nave estelar para irradiar, obtiene 459 vatios por metro cuadrado de capacidad de radiación de calor. Porque, digamos, un láser de 1 gigavatio que produzca un 1% de calor residual (10 megavatios de calor residual) necesitaría un parche de casco de 150 metros (~450 pies) de lado.

Que puede modificar aumentando el área de superficie de su nave a través de técnicas como crestas (como un disipador de calor de CPU). Digamos, un multiplicador x8 que usa bosques de nanotubos de carbono para aumentar el área de superficie lo reduce a 18 metros cuadrados (55 pies) de espacio reservado en el casco.

La eficiencia de este sistema disminuiría a medida que te acercas a una estrella y la temperatura promedio comienza a aumentar.

Alternativamente, podría descargar todo el calor en un gas de alta capacidad calorífica y ventilarlo por la borda para ahorrar espacio. El agua es un buen gas de alto disipador de calor, absorbiendo alrededor de 2257 julios por gramo de agua (un julio es 1 vatio aplicado durante 1 segundo).

Aplicado al mismo láser espacial de 1 gigavatio con un 1 % de calor residual durante 1 segundo (solo para facilitar los cálculos), necesitaría arrojar 4,43 kilogramos de vapor por la borda por disparo. Lo cual no es irrazonable.

Pero si te decides por Fancy

La forma absolutamente más eficiente en cuanto a tiempo, espacio y masa para eliminar el calor residual es reciclarlo. Las reacciones de fusión más allá del hierro en la tabla periódica son endotrópicas, lo que significa que se necesita un consumo neto de energía para hacer el cambio de dos átomos más pesados ​​que o iguales al hierro. Y la cantidad de energía consumida está a la par con cualquier otra reacción atómica siendo alrededor del 0,1% al 10% de la masa-energía involucrada (aproximadamente 9 Terajulios por gramo). Con alguna tecnología de handwavium que permita redirigir el calor residual de esta manera, podría almacenar una gran cantidad de calor residual de esta manera.

Voy a dividir mi respuesta en dos secciones; primero, qué gas sería el más adecuado para esta tarea. En segundo lugar, qué proceso sería el más eficiente.

Mejor Gas
Voy a ser franco. agua _ ¡Pero! (Los escucho a todos gritar) ¡El agua no es un gas! Bueno, no, no lo es. Pero el vapor lo es. Lo que tiene el agua a su favor es que tiene una capacidad calorífica específica realmente alta: 4,18 J/g/C° y el agua en sí misma es muy densa en forma líquida, lo que la convierte en la masa térmica ideal. Según la capacidad calorífica específica (SHC), se necesitan alrededor de 40 kJ para calentar un litro de agua unos 10 C° más o menos, y su densidad significa que puede almacenar mucho más calor en un espacio mucho más cerrado.

Este tipo de propiedad de masa térmica es exactamente lo que se usa a menudo para capturar el calor residual para uso futuro; La captura de calor corporal residual en una estación de tren de Estocolmo utiliza precisamente este método para capturar y volver a aplicar el calor, por lo que este es un enfoque que ya se entiende.

En resumen, su 'gas refrigerante' es vapor.

El mejor método de ventilación
No lo haga. Quiero decir, seguro; podría simplemente ventilar el vapor al espacio, pero el agua (incluso con el calor que contiene) sigue siendo mucho más útil para su nave y encontrar otro método para dispersar el calor significa que no tiene que transportar agua (que es pesada). ) como recurso consumible. Si lo usa de esa manera, siempre transporta mucha más agua de la que necesita, y dada la alta densidad y masa con la que está trabajando, eso no es bueno.

Pero, el agua (y el vapor por extensión) es muy útil. No dejes que se desperdicie, pero extrae la energía para tus propios fines.

El primer uso, y el más obvio, es impulsar una turbina. Usa la energía de desecho de tu batalla para alimentar un generador que te permita hacer funcionar los sistemas críticos de tu nave con una fuente de energía alternativa, dejando tus motores principales para maniobras y armas. Úselo también para mantener calientes las secciones críticas de la nave a través de radiadores internos, lo que le permite apagar el sistema de soporte de vida normal, conservando nuevamente la potencia del reactor principal.

Finalmente, cuando el agua esté DEMASIADO caliente, cree una pequeña sección dentro del casco que esté vacía y abierta al espacio (detrás de un protector de casco serio, por supuesto, preferiblemente entre las áreas de estar y los motores, y coloque sus radiadores allí para disipar el calor.

Hacer todo esto te brinda un beneficio inesperado que te hace realmente temido entre todos los carriles espaciales:

Tu barco es un crucero steampunk.

Despachar el calor con las balas

Esta no es exactamente una forma eficiente, pero creo que es genial y también práctica porque aprovecha algo que ya tienes y usas en combate, para enfriar el combate.

Usted dijo "[...] disparando un cañón de riel [...]" y he entendido que el cañón de riel usa munición para funcionar. Podrías transferir el calor de tu nave a la munición del arma y luego disparar esa munición a tu enemigo.
De esa manera usted:

• Despacha tu exceso de calor.
• Sobrecalienta a tu enemigo.

Para transferir el calor a tu munición, solo necesitas usar una bomba de calor , como el aire acondicionado o el congelador de tu casa, solo que... más grande.

Una bomba de calor es un dispositivo que transfiere energía térmica desde una fuente de calor a lo que se denomina un disipador de calor. Las bombas de calor mueven la energía térmica en la dirección opuesta a la transferencia espontánea de calor, absorbiendo calor de un espacio frío y liberándolo a uno más cálido. Una bomba de calor utiliza una pequeña cantidad de energía externa para realizar el trabajo de transferir energía de la fuente de calor al disipador de calor.

Funciona mediante el ciclo de bomba de calor . En ese enlace puedes encontrar varias formas de hacer una bomba de calor.

Elección del refrigerante

Agua

Como mencionaron otras respuestas, el mejor refrigerante es el agua, en el rango de temperaturas que puede esperar para su láser. Absorbe rápido el calor (gran conductividad térmica), absorbe mucho para elevar 1 kg por 1 K (gran calor específico), y absorbe aún más al fundirse (gran calor latente de fusión) y al evaporarse (gran calor latente de evaporación). ). Tenga en cuenta que lo almacenaría congelado para obtener el máximo beneficio.

También es un propulsor bastante bueno para propulsores nuclear-térmicos o nucleares-eléctricos, por lo que su nave probablemente los lleve como propulsor, no arrastrando tanques de disipador de calor que de otro modo serían inútiles.

Hidrógeno

Si su tecnología necesita temperaturas criogénicas, el hidrógeno líquido es, con mucho, la mejor opción. Tiene el mejor calor específico de la historia y un calor latente de evaporación bastante bueno.

De hecho, existe un tipo hipotético de nave espacial que logra un sigilo parcial al ser un tanque gigante de hidrógeno líquido o congelado y un recubrimiento Vantablack, el casco se enfría al evaporar el hidrógeno a 14 K extremadamente difíciles de detectar. (Ver detalles en Atomic Cohetes ) Si el aspecto sigiloso en sí mismo funcionaría o no, está en debate, pero la nave en sí, si es lo suficientemente grande, podría permanecer a la luz del sol durante años: el hidrógeno es así de bueno .

Por otro lado, el hidrógeno tiene una densidad absurdamente baja, y es posible que los buques de guerra blindados no quieran tener tanques de combustible gigantes. O estarían expuestos al fuego enemigo o requerirían grandes cantidades de armadura. Y la armadura es pesada, lo cual es malo para una nave espacial. Como probablemente hayas leído muchas veces sobre Atomic Rockets, cada gramo cuenta.

De manera similar al agua, esos tanques de hidrógeno probablemente sean su propulsor en primer lugar. Después de todo, el hidrógeno es el propulsor térmico más eficiente por masa.

Sodio

Si necesita lidiar con temperaturas muy altas y no quiere usar agua, que puede ser corrosiva o incluso disociarse en hidrógeno y oxígeno, es posible que desee optar por el sodio.

Su calor específico no es tan grande en comparación con los demás, pero su punto de ebullición es mucho más alto. De hecho, se utiliza como líquido refrigerante en algunos reactores nucleares.

Entonces, aunque no sería su propulsor, esos tanques de sodio serían su reserva de refrigerante. Nuevamente, lo tendría de todos modos, y el disipador de calor sacrificatorio sería un uso secundario de emergencia.

Radiadores

En una nave espacial, cualquier cosa más grande que una cápsula de corto alcance tiene radiadores. La ISS los tiene (esos grandes paneles de acordeón en ángulo con los paneles solares), el transbordador espacial los tenía (recubriendo el interior de las puertas de la bahía de carga)...

Las futuras naves espaciales, especialmente las naves de guerra, tendrán enormes fuentes de energía (ya sean centrales eléctricas o incluso, a menudo, los propios motores) que necesitarán enormes radiadores para eliminar el calor residual.

Tenga en cuenta que los componentes variados tendrán temperaturas ideales variadas, por ejemplo, los alojamientos de la tripulación a 300 K y la planta de energía nuclear a 1400 K. Si bien puede sentirse tentado a usar bombas de calor para igualar la temperatura, agrega complejidad y no es práctico para grandes diferenciales de temperatura, donde volverse enormemente ineficiente.

En cambio, cada componente con una temperatura diferente tendrá sus propios conjuntos de radiadores. Probablemente pequeños (como en la ISS) para los alojamientos de la tripulación y otros más grandes, posiblemente de color rojo brillante, para el motor. Algunos para sus componentes criogénicos (como esos tanques de agua también) Tal vez algunos más para armas variadas también.

En general, al diseñar un componente, desea que tenga una temperatura de trabajo lo más alta posible. Eso es porque la eficiencia del radiador aumenta con la cuarta potencia de la temperatura. Y desea que sus radiadores sean lo más pequeños posible, porque no solo son pesados ​​sino que también son excelentes objetivos.

La ventaja es que los radiadores son visualmente asombrosos y hacen que tu buque de guerra se vea increíble. Nada transmite (literalmente) una sensación de poder como dos velas gigantes de color naranja brillante.

disipadores de calor de ventilación

Así que su crucero estelar ha retraído sus radiadores para evitar que les disparen. O algunos de ellos han sido arrancados por fuego enemigo. O sus armas generan tanto calor residual que ni siquiera su complemento de radiador completo puede deshacerse de él en condiciones de combate. Los disipadores de calor se están llenando...

¿Por qué ventilarlos?

Idealmente, desea mantenerlos alrededor el mayor tiempo posible. Después de todo, una vez que finaliza el combate, o incluso si la mecánica orbital lo pone temporalmente fuera de alcance, puede usar sus radiadores (restantes) para enfriarlo nuevamente.

El problema empieza cuando se vaporiza. Que es casi inmediatamente con hidrógeno líquido. Con el agua, tiene más tiempo, y el sodio, como se señaló anteriormente, solo se calentaría tanto en caso de emergencia.

Ahora, puede mantenerlo bajo presión para evitar que se vaporice en primer lugar, lo que probablemente solo sea práctico con el sodio. Es más fácil endurecer un sistema de refrigeración que tanques gigantes de combustible, el hidrógeno caliente tiende a escaparse a través de las paredes y el agua supercrítica caliente es una de las sustancias más corrosivas que existen.

Pero si evitas que se vaporice, no puedes hacer uso de su calor latente de vaporización. En caso de emergencia, es posible que simplemente no tenga otra opción.

Así que empieza a vaporizarse, entonces. Su volumen aumenta enormemente; por ejemplo, el vapor de agua ocupa aproximadamente 1250 veces más volumen que el agua líquida. Simplemente no tiene el volumen para mantenerlo a bordo.

Podría usarlo para inflar un globo, pero eso significa que está cargando un globo bastante grande por si acaso (lo cual es muy malo; nuevamente, cada gramo cuenta), y ese globo delgado y desprotegido será un objetivo grande y agradable. para el enemigo

Entonces, cuando las cosas se ponen tan calientes, mantenerlo en el barco simplemente no es una opción.

Ventilarlo - agua o hidrógeno

Con agua e hidrógeno, de hecho, eso ya es parte del diseño. Recuerde, esos son su propulsor primero y su disipador de calor en segundo lugar. Entonces, para ventilarlo, lo envías a tus propulsores.

Los impulsores térmicos que probablemente esté usando en este momento funcionan calentando el propulsor tanto como sea posible y luego dejándolo expandir tanto como quiera a través de la boquilla. Los propulsores de cohetes químicos actuales son un caso especial en el que el calor se produce por una reacción química entre los propulsores y el subproducto de la reacción escapa a través de la boquilla. Su motor futurista probablemente esté calentando un propulsor inerte a través de una reacción nuclear (nuclear-térmica) o con energía eléctrica, en sí misma de una planta de energía nuclear (nuclear-eléctrica).

De hecho, esto ya se usa hoy en día, con el enfriamiento regenerativo: las toberas de los cohetes se calientan tanto que, para evitar que se derritan, se envía un propulsor aún frío que fluye por sus paredes antes de ir a la cámara de reacción.

Aquí, es lo mismo, excepto que el propulsor fluye primero a través de su sistema de refrigeración y/o varios componentes.

Entonces, ¿cómo se ve? Sus motores están usados. Si no puede permitirse el lujo de usar los motores en primer lugar (tal vez porque agregaría más calor del que puede ahorrar), entonces parecerá que fluye vapor de agua / hidrógeno más frío, lo que generará menos empuje. Puede o no ver algo de blanco en la pluma a medida que el vapor de agua se expande (y, por lo tanto, se enfría) y se condensa en cristales en ese caso.

Tenga en cuenta que en el espacio, incluso cuando se trabaja a pleno rendimiento, esas unidades son bastante difíciles de ver. El penacho puede ser completamente invisible, y lo vería funcionar solo cuando el barco se mueve y las partes más internas de la boquilla se calientan hasta quedar blancas.

Ventilarlo - sodio

Si puede, intente ventilar el vapor de sodio a través de las boquillas mientras disparan. Esto le dará un poco de empuje adicional ya que los átomos más pesados ​​se usan como propulsor, lo cual siempre es bueno tener. Esto puede teñir tu penacho de naranja, sospecho. Si es así, esto sería una excelente imagen, ya que las columnas naranjas muestran cuán desesperado se ha vuelto el buque de guerra en combate, ya sea porque se sobrecalientan o porque necesitan un poco de empuje adicional.

Pero esto puede no ser una opción. Después de todo, el sodio puede condensarse contra el interior de la boquilla o algún componente de la cámara y estropearlo todo. Pueden obstruir algo, interferir con el enfriamiento de la boquilla o incluso fracturarla con diferencias de calor. O es posible que su unidad simplemente no lo permita, por ejemplo, si usa propulsión de pulso nuclear externa al estilo de Orion (también conocida como empujar una placa con armas nucleares) u otros sistemas basados ​​​​en detonaciones nucleares.

Entonces, los circuitos de refrigerante de su buque de guerra pueden tener válvulas de escape. Probablemente se verán como pequeños propulsores y tendrán puertas para cerrarlos cuando no estén en uso. Cuando el calor o la presión en el circuito es demasiado alto, se abren y dejan escapar el vapor de sodio.

Son, esencialmente, unidades térmicas, al igual que sus unidades principales, pero en su lugar utilizan sodio. Siendo el sodio pesado, proporciona un buen empuje pero una mala eficiencia, y puede verse como tal en lo que se refiere al movimiento. Tendrán la forma de sus impulsores principales, para la eficiencia de empuje, pero eso se debe a que desea que la columna de humo se desvíe lo menos posible (que es lo mismo aquí). Después de todo, usted no quiere que el penacho golpee el casco de su barco y condense sodio y lo cubra todo.

Por la misma razón, pueden extenderse opcionalmente cuando están en uso, de modo que el punto de ventilación esté lo más lejos posible del casco, pero recuerde, tendrá que ser una barra rígida en lugar de una simple manguera, o el empuje lo hará volar. contra el casco.

Dadas las temperaturas, probablemente brillará de color naranja en el punto de salida, volviéndose rojo un poco más adelante en la columna (a esas temperaturas, se enfría rápidamente), luego como una nube delgada de gotas de sodio condensadas. Dada la energía, se dispersará rápidamente y desaparecerá casi instantáneamente tan pronto como deje de ventilarse.

La ventilación en sí probablemente se hará en ráfagas cortas, para usar solo lo mínimo necesario y para evitar exponer una válvula de disparo tanto como sea posible.

Anexo: ¿Por qué unidades térmicas?

Los impulsores térmicos son mucho más eficientes que los impulsores químicos (aunque generalmente dan menos empuje), pero su kilometraje es bastante malo en comparación con los impulsores eléctricos como, por ejemplo, los motores iónicos. Entonces, ¿por qué el crucero estelar usaría impulsores térmicos en lugar de esos?

Esto se debe a que, para una energía determinada, puede tener un gran empuje (accionamientos químicos), una gran eficiencia (accionamientos eléctricos) o un equilibrio (accionamientos térmicos). Y solo puede usar tanta energía en una unidad antes de que se vaporice.

Así que esos propulsores eléctricos tienen un empuje horrible. Lo cual está bien para una sonda interplanetaria, pero su crucero estelar probablemente necesitará maniobrar, por ejemplo, para evitar los proyectiles enemigos entrantes o evitar pasar meses o incluso años saliendo de pozos de gravedad profundos.

El crucero estelar también puede tener un conjunto de propulsores eléctricos con empuje miligiano para maniobras interplanetarias lentas, cuando tiene tiempo para empujes de larga duración y no tiene láseres gigantes para consumir la mitad de la potencia del motor, pero probablemente funcionará con propulsores térmicos cuando luche. .

Cómo mover el calor: convección, conducción, radiación.

Convección; derrochador porque se pierde masa gaseosa. Conducción: no hay ningún lugar en el espacio al que conducir. Radiación - esa es la opción. ¡Y tienes láseres!

Concentra tu calor y úsalo para alimentar un láser. Luego dispara también a tu objetivo.

Tienes dulces láseres. Haz uno que funcione con calor. La energía térmica luego desaparece con la radiación electromagnética coherente que es el láser. Esto fue descrito recientemente como una posibilidad teórica.

https://phys.org/news/2012-11-powering-lasers.html

En su trabajo, publicado recientemente en Physical Review Letters, los dos físicos proponen la teoría de que el efecto de calentamiento en los láseres de cascada cuántica no solo podría evitarse sino, de hecho, revertirse mediante una modificación inteligentemente diseñada del grosor de las capas de semiconductores. "Una parte crucial es separar espacialmente las áreas frías y cálidas del láser", explica Kathrin Sandner. "En un láser impulsado por un gradiente de temperatura de este tipo, los electrones se excitan térmicamente en el área cálida y luego hacen un túnel hacia el área más fría donde se emiten los fotones". Esto produce un circuito donde se emiten partículas de luz y el calor se absorbe del sistema simultáneamente. "Entre las emisiones consecutivas de partículas de luz se absorbe un fonón y el láser se enfría. Cuando desarrollamos más esta idea,

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