¿Cuánta energía puede usar internamente una nave espacial sin sobrecalentarse?

Más pensamientos sobre las posibilidades de la ciencia dura para la colonización interestelar y la solicitud de verificar mi comprensión de la física.

Suponga que tiene una nave colonial completamente autónoma. Tienen un reactor gigante que produce energía y, mientras el reactor tenga combustible, pueden producir todo lo que necesitan para el soporte vital a bordo. Esto podría ser con invernaderos para cultivar plantas para producir oxígeno y alimentos o también podría ser química pura. De acuerdo con mi comprensión de la física, siempre que sea un ciclo cerrado dentro de la nave, toda la energía eventualmente se convertirá en calor. Y como están en el espacio la única forma de perder este calor es a través de la radiación térmica . La ley de Stefan-Boltzmann ahora proporciona una forma de calcular la energía que pierde el barco a través de la radiación térmica. Solo depende de la superficie del barco y de la temperatura.

¿Parece que para un área de superficie fija y una temperatura de superficie fija esto da la cantidad exacta de energía que la nave necesita usar para estar en un equilibrio estable?

Si usan más energía, la nave se calentará (lo que también aumentará la radiación térmica), si usan menos, la nave se enfriará (lo que también disminuirá la radiación térmica). Como la radiación térmica cambia con la cuarta potencia de la temperatura absoluta, hay cierto espacio para maniobrar, pero si el uso de energía se desvía por un orden de magnitud o dos en cualquier dirección, tienen un problema.

Editar: algunos números específicos. En mi última pregunta vinculada anteriormente, aprendí que se necesita la energía equivalente a toda la producción de energía del sol durante unos días para acelerar una gran nave espacial a la mitad de la velocidad de la luz. Esto significa que si la nave espacial usa el equivalente de toda la energía solar que llega a la tierra (alrededor de 10 dieciséis Watts) para el soporte vital y otras necesidades de energía interna que es insignificante en comparación, incluso durante un período de tiempo de décadas o siglos. Pero si asumimos una nave espacial como un cubo de 10 km y una temperatura de 300 Kelvin, la radiación de calor total según la ley de Stefan-Boltzman anterior es solo 5.67 ∗ 10 − 8 ∗ 300 4 ∗ ( 6 ∗ 10 8 ) W = 2.75 ∗ 10 11 W . Es decir, según mi ingenua interpretación de la física, necesitarían usar energía de ese orden de magnitud para no cocinarse demasiado, por 10 dieciséis W necesitarían una nave espacial mucho más grande o más caliente.

Parece que hiciste una pregunta y luego la respondiste tú mismo en el cuerpo de la pregunta. Si bien alentamos las preguntas auto respondidas, debe publicar la respuesta como una respuesta. ¿Hay otra pregunta aquí que me falta? ¿Quizás una solicitud para ver las ecuaciones en la práctica? Danos algunas cifras entonces.
Es por eso que las naves espaciales tienen esos ingeniosos radiadores de calor que aumentan su área de superficie... Y usan bombas de calor para mover el calor residual hacia un fluido refrigerante de alta temperatura que luego circula hacia los radiadores. La pregunta tiene las cosas al revés: normalmente, primero calculas cuánta energía se necesita para las funciones internas y luego les dices a tus amigables ingenieros que diseñen un sistema de enfriamiento para expulsarla al espacio exterior.
VTO, la pregunta está en el título, todo está claro aquí, lo que no está claro es por qué se cerró. @OP Recomendaría rebajar hs a base científica, ya que se necesitan algunas especulaciones para darle más libertad, por lo que si pregunta directamente sobre la dependencia de la temperatura y el tamaño de la energía, debe proporcionarse como respuesta de todos modos
@Rottweileronmarket-day. No, no es una pregunta auto respondida. Necesita recolectar energía térmica todo en el modelo e investigación de ese modelo.
@MolbOrg Estoy de acuerdo, no según los estándares de la etiqueta de ciencia dura , como una respuesta basada en la ciencia para indicar dónde comenzar la investigación, creo que podría haber obtenido algunos votos.
"... dado que esto proporcionó un mecanismo para que la radiación eliminara el calor de una red de semiconductores, en principio no había barrera para que un LED fuera más del 100% eficiente, en cuyo caso en realidad enfriaría su entorno". physicsworld.com/a/led-converts-heat-into-light La segunda ley de la termodinámica tiene una trampa 22.
@JustinThymetheSecond Que alguien le diga a Isaac Arthur. Esto tiene implicaciones para detectar enjambres de dyson por su radiación de cuerpo negro.
@SurpriseDog Tiene inmensas implicaciones en toda la ciencia ficción espacial y también en el pensamiento científico. Muchos autores y físicos utilizan las Leyes de la Termodinámica como si fueran absolutas, y esa entropía solo puede equipararse al calor. Maxwell solo quería entender las máquinas de vapor y su funcionamiento, y hacerlas más eficientes, no la física en general. Sus ideas se han extendido en gran medida a áreas de la física y la ciencia en las que no tienen nada que hacer y, como resultado, han llevado a la física a un callejón sin salida, condenada a buscar para siempre esta cosa inexistente llamada 'entropía'.
@JustinThymetheSecond: los físicos no dicen que la entropía solo puede equipararse al calor, la entropía de un "macroestado" dado (una descripción detallada del estado de un sistema que omite los detalles microscópicos, como una descripción de una caja de gas que solo le dice su energía total y volumen y número de partículas sin enumerar el estado cuántico exacto de cada partícula) se define como proporcional al número de "microestados" compatibles con ese macroestado. La segunda ley es solo una tendencia de los sistemas a evolucionar hacia macroestados con un mayor número de posibles microestados.
"Y como están en el espacio, la única forma de perder este calor es a través de la radiación térmica". Si los cohetes están disparando activamente y se expulsa algún tipo de propulsor, esta es otra forma de perder calor si la reacción que expulsa el propulsor también entrega la mayor parte de su calor al fluido que luego se expulsa.
@Hypnosifl No son tanto los verdaderos físicos, sino los físicos de sillón, los que están confundidos acerca de la entropía. Hay tantos de ellos que piensan que una licenciatura en física los hace omniscientes. La entropía es un término muy parecido a 'fuerza centrífuga', algo que no existe, pero que se considera ampliamente como 'entendido'. Así como no existe la 'fuerza centrífuga', tampoco existe la 'entropía'. Es solo una fabricación conceptual, pero hecha para sonar impresionante a través de explicaciones de ensalada de palabras.
Podría ralentizar este proceso capturando el calor y reconvirtiéndolo en epectricidad: innovationnewsnetwork.com/…
Cuanto más eficiente es el sistema, menos 'calor' debe disiparse. No hay razón para no pensar que eventualmente alcanzaremos el 100% de eficiencia.
Puede que le interese esta referencia itf.fys.kuleuven.be/~fpspXIII/material/… para eficiencias superiores al 100%
La Segunda Ley está funcionando bien. Toma un LED que emite energía gratuita con alta eficiencia y agrega la emisión de entropía como "calor radiante", y termina con más del 100% en total. ¡Tenga en cuenta que los fotones infrarrojos bajos se emiten espontáneamente sin un LED y con una entrada de energía cero! Pero eso solo puede tener un efecto neto si hay algún lugar al que puedan ir: buscar "células anti-solares" que recolectan energía de la oscuridad. De lo contrario, la reacción inversa debería devolver el calor (y la entropía) al LED.
@JustinThymetheSecond como físico de sillón (con una licenciatura para demostrarlo), por la presente declaro un cuerpo negro en el vacío como un LED con eficiencia infinita: no se le aplica voltaje y aún irradia IR. ¿Dónde está mi premio por la tecnología?
@Adrian Colomitchi Si me dices dónde enviarlo, me aseguraré de conseguirte uno. Tengo una caja negra llena de ellos. Esta caja está llena de todas las ideas pseudocientíficas de 'teoría de la conspiración' que alguna vez se propusieron, las absorbe todas. Todo genuinamente falso, al igual que la física detrás de las afirmaciones. Eso incluye prácticamente todo lo que se ha dicho sobre la "entropía" que se haya escrito o discutido. Como dije, la 'entropía' solo existe como una ensalada de palabras escritas para hacer que alguien parezca inteligente y pretender que entendemos la realidad.
@Demigan Aparentemente, todas las referencias al buque insignia europeo de grafeno han sido censuradas de las noticias estadounidenses, en un intento de suprimir cualquier tecnología y avance científico no fabricado en Estados Unidos. Cualquier cosa 'europea' se equipara bastante a la blasfemia en Estados Unidos. ¡Imagine a los nihilistas reescribiendo el libro de texto de física usando una ideología no estadounidense! Al igual que cualquier cosa que salga del CERN por cualquier investigador no estadounidense se considera irrelevante. ¿Revertir la 'entropía' generando electricidad directamente a partir del calor? ¿Ignorar por completo que el 'calor' es solo el movimiento de partículas, no una 'cosa'?
@justinThymetheSecond eso parece contraproducente. Cuanto menos reconozcas otros trabajos, más te atrasarás y más necesitarás censurar. Aunque no me sorprende, una vez vi un fragmento de noticias de un hombre confrontado con cómo Estados Unidos estaba muy bajo en la mayoría de las listas positivas como educación, sistema de justicia y atención médica, y cómo su historia es una continuación oscura de la guerra civil y la represión de no blancos. lo que provocó la reacción "No quiero que mi hijo aprenda que quiero que mi hijo aprenda que Estados Unidos es el país más grande".
@Demigan Es absolutamente contraproducente. Por eso Estados Unidos se ha estancado durante dos décadas. Están tan atrasados ​​en el mundo con su libro de texto de física, incluso China los ha superado en investigación cuántica. En otra década, EE. UU. dependerá por completo de las licencias de derechos de propiedad intelectual de Asia, y no tendrán a nadie más a quien culpar sino a sí mismos. En un escenario de beneficio a toda costa, lo primero que se pierde es I+D. Sin embargo, los estadounidenses todavía entierran la cabeza en la arena y se niegan a reconocerlo. Cerveza barata, deportes que rompen huesos y un arma en cada tocador, y son felices.
El 'edificio de ensamblaje de vehículos' de China para su Long-March-Heavy puede construir cuatro ensamblajes completos de cohetes al mismo tiempo, por ejemplo, y entregarlos a la plataforma de lanzamiento en forma de producción en masa. Los escritores de ciencia ficción en Europa están reconociendo esto, y China, en lugar de Estados Unidos, es ahora el centro de su escritura. Los estadounidenses solo tienen una presencia simbólica en el espacio en sus historias. La presencia estadounidense ni siquiera es lo suficientemente fuerte como para ser un adversario.

Respuestas (3)

Aísle su sección de vivienda de su sección de reactor

Stefan-Boltzmann define las emisiones de cuerpo negro de energía como:

P = AσT⁴

O para aquellos de nosotros que realmente nos gusta saber qué significan nuestras variables:

$radiantEnergy = $surfaceArea * 5.67 * $temperature^4;

La lógica común nos dice que el curso de acción correcto es aumentar el área de la superficie, y sí, esto ayudará un poco, pero mira esa potencia de 4 en la temperatura... ese es un gran exponente agradable para explotar, lo que significa que hay mucho espacio para un crecimiento exponencial simplemente calentándose un poco más.

Cuanto más caliente estás, más rápido irradias calor; por lo tanto, si desea impulsar una cantidad máxima de calor hacia el espacio, calentarse más es el camino a seguir. Ahora, debido a que la gente vive en tu nave, hacer más calor en todas partes es una mala idea... y totalmente innecesaria. Al separar su nave en cápsulas que están unidas por materiales resistentes al calor, puede calentar cada parte de su nave hasta su umbral máximo mientras mantiene las habitaciones relativamente frescas.

Para su sección de hábitat, debe mantener una temperatura de aproximadamente 293 K, pero eso es justo lo que es bueno para que vivan los humanos. Una parte mucho más grande de su barco será el invernadero, pero nadie dice que tiene que vivir fuera de él. plantas vasculares. Al cultivar Algea como su principal fuente de alimento, puede aumentar este compartimento hasta 335K... pero la siguiente parte hará que esta sea una medida trivial. Por último está la sección del reactor. Ahora, aquí es donde establecer un verdadero MAX tiene que desviarse un poco de la "ciencia dura" hacia la "basada en la ciencia" porque realmente no sabemos qué fuentes de energía o materiales nos limitarán en el futuro. Sin embargo, si tuviera que construir una cápsula grande con propiedades térmicas similares al tungsteno, podría calentar su sección trasera en algún lugar en el rango de 2750K haciéndola brillar como una bombilla incandescente gigante...

Entonces, digamos que su nave está hecha de 3 cápsulas del mismo tamaño, todas con un área de superficie de 1/3 del área de superficie total propuesta por el OP, esto le da a su hábitat la capacidad de compensar 9.17e10W, su sección de granja 1.57e11W y su sección del reactor 7.12e14W. Esto se debe a que su reactor caliente incandescente podría compensar ~7750 veces más calor por área de superficie que un módulo a temperatura ambiente.

Esto aún lo coloca en aproximadamente el 7% de su objetivo... lo cual, sinceramente, no es tan malo. Esto aún lo mantiene trabajando en escalas de tiempo humanas, pero hay dos cosas que puede hacer para impulsar aún más esto si realmente desea alcanzar ese punto de referencia de 1e16W.

Primero, no hay razón para que los módulos tengan el mismo tamaño. Su granja probablemente necesitará ser mucho más grande (por lo tanto, más superficie) que su hábitat, y dependiendo de las elecciones que haga como autor, su sección de reactor/combustible/propulsión podría tener mucha más superficie que el resto de su nave si imagine un sistema de combustible que almacena hidrógeno para la fusión sin oxígeno con el que reaccionar, también podría almacenarlo como un plasma sobrecalentado siempre que no se caliente lo suficiente como para derretir sus tanques de contención de tungsteno. En este caso, si haces que tu nave tenga algo así como un 5 % de hábitat, un 10 % de granjas y un 85 % de sección de reactor, podrías alcanzar aproximadamente el 17 % de tu objetivo.

En segundo lugar, puedes ir con calor más alto. Elegí 2750 K como la temperatura de funcionamiento de una bombilla... mucho más caliente y el tungsteno se vuelve estructuralmente defectuoso, pero agregar un metamaterial a un entorno espacial que puede operar más alto que esto no es inverosímil. Si vas con una nave que es 85% cápsula caliente y alrededor de 4280K, deberías poder alcanzar 1e16W con esa superficie total... pero eso excedería significativamente el punto de fusión de cualquier elemento conocido; entonces, si busca un universo de ciencia más duro, aceptaría la potencia de salida ligeramente más baja.

barco reactor caliente

Entonces, redondeando un poco, si la mayor parte del barco tiene una temperatura de 3000 K en lugar de 300 K, irradiará alrededor de 10 ^ 4 veces más energía. Esto parece estar cerca de lo que necesitan si quieren ir a los 10 ^ 16 W que puse en mi pregunta.
@quarague idk tal vez agregue algo, problema similar respuesta similar aquí , diferentes problemas y diferentes ángulos sobre el calor allí y este que es muy tangencial pero aún puede ser de algún interés.
@quarague Hubo un problema con mis cálculos originales, revisé todo dos veces y necesitas algo más cercano a 4280K para alcanzar tu objetivo, pero algo en el rango de 3000k aún te llevará al estadio correcto. Ver respuesta actualizada.

Los barcos pueden controlar el área de la superficie y la temperatura

Una estrella o un planeta tiene una superficie (relativamente) estática, y el calor siempre fluirá de caliente a frío.

Un barco es significativamente más complejo.

Para calentar un barco, puedes cubrirlo con un material aislante. El flujo de calor de las áreas cubiertas disminuirá y el resto del barco se calentará.

Por el contrario, para enfriar un barco, puede transferir calor a ciertas secciones exteriores utilizando un intercambiador de calor. Los intercambiadores de calor domésticos comunes incluyen aire acondicionado y refrigeración: cualquier caso en el que utilice el movimiento de un fluido de trabajo para mover el calor entre dos ubicaciones.

Imagine un gran conjunto de radiadores en forma de alas que sobresalen de la nave. Tienen un área de superficie alta para irradiar energía en todas las direcciones, y el barco puede controlar su temperatura (y, por lo tanto, la cantidad de calor que irradian) bombeando fluidos a la estructura.

La clave aquí es que la nave no es un cuerpo estático y uniforme, sino un sistema complejo que puede afectar sus propias emisiones al expandir una pequeña cantidad de energía.

Me gusta la idea de los radiadores en forma de ala, que bombean agua a los serpentines de enfriamiento para que se enfríen mediante la pérdida de calor radiante hacia el cosmos. sin embargo, es posible que desee reformular la "tecnología de refrigeración". Eso implica un tipo específico de sistema. En un sistema relativamente cerrado, como una nave espacial, ese tipo de sistema agregaría más calor del que elimina.
@Sonvar: cambié la redacción. De manera realista, el sistema tendrá dos ubicaciones de intercambio de calor: una que transfiere el calor de la atmósfera de la nave al fluido de trabajo y los radiadores que transfieren el calor del fluido al espacio. Esto es bastante similar a un refrigerador, donde transfiere calor del área fría al fluido y luego del fluido a su cocina.
Si usa una estructura de ala muy complicada, puede obtener 100 veces el área de superficie de un cubo con el mismo volumen, por lo tanto, dos órdenes de magnitud. En mi estimación del reverso del sobre tenía una discrepancia de alrededor de 10^5. Por lo tanto, necesitaría combinar eso con una temperatura de 3000 K en los radiadores como en la respuesta de Nosajimiki para llegar allí.
@quarague: la energía que está produciendo para mover su nave sale de la nave como energía cinética en el propulsor. Solo irradias una pequeña fracción de tu presupuesto total de energía.

Abordar algunas confusiones en la pregunta original.

Esto significa que si la nave espacial usa el equivalente de toda la energía solar que llega a la tierra (alrededor de 10 dieciséis Watts) para soporte vital...

En primer lugar, aclare por sí mismo su ingenuo uso de intercambiabilidad de energía (medida en julios) y potencia (medida en vatios). Una nave de generación no es un sistema totalmente abierto en el que cualquier energía que utilizas se transforma inmediatamente en calor que necesita ser evacuado inmediatamente .

Entonces, ¿qué pasa si no necesitan toda la energía solar que llega a la Tierra? No es como si 100 millones de personas necesitaran la energía que sustenta toda la vida en la Tierra, desde la profundidad de la fosa de las Marianas hasta la parte superior de la troposfera, incluida la formación de huracanes, corrientes oceánicas y lluvia.

Pero si asumimos una nave espacial como un cubo de 10 km y una temperatura de 300 Kelvin, la radiación de calor total según la ley de Stefan-Boltzman anterior es solo 5.67 ∗ 10 − 8 ∗ 300 4 ∗ ( 6 ∗ 10 8 ) W = 2.75 ∗ 10 11 W . Es decir, según mi ingenua interpretación de la física, necesitarían usar energía de ese orden de magnitud para no cocinarse demasiado, por 10 dieciséis W necesitarían una nave espacial mucho más grande o más caliente.

No solo es incorrecta la suposición de que necesita la salida de Sun solo para 100 millones de personas, sino que la consideración de la tasa es totalmente exagerada: simplificó demasiado su modelo.

  1. el barco no es un trozo de acero o algo así. Tienes múltiples sumideros de energía dentro de la nave: los mismos alimentos que cultivas tomarán luz y calor para ejecutar esas reacciones bioquímicas y almacenarlas como energía ligada. Lo que significa que la temperatura de su nave no aumentará inmediatamente (como sucede con un trozo de acero). Cierto: eventualmente, lo transformará en calor (después de comer, digerir y quemar esos nutrientes), pero será a un ritmo más lento que si solo aplica la misma energía adicional a un trozo de acero (o cantidad de gases)

  2. un barco de generación deberá ser maestro del reciclaje o no durará mucho. El calor es una cosa que uno puede reciclar hasta cierto punto. Como ejemplo, tiene un gran almacenamiento de agua que puede permitirse calentar con una bomba térmica, y podrá reutilizar parte del calor almacenado (el gradiente térmico) en algún momento más adelante. Al hacerlo, creará calor adicional al operar esas bombas de calor. Pero debido a que una bomba de calor puede alcanzar un 600% de eficiencia de movimiento de energía, teóricamente solo necesitará deshacerse de 1/6 de calor adicional. Haga esto de muchas otras formas sofisticadas y abordará la tasa en la que necesita purgar el "calor residual" (calor en configuración espacial con un gradiente tan bajo dentro de la nave que no puede usar para extraer calor controlable) .potencia para ejecutar sus procesos. El equivalente a la "muerte térmica del Universo" dentro del microcosmos de tu nave)

    Uno encima del otro, en principio, haces funcionar tu nave reciclando todo, con solo el costo de la energía extra requerida para reciclar todo . Y puede reducir la cantidad de energía necesaria para reciclar todo a un valor mucho más bajo que el costo que requiere "energía nueva del sol en cada momento y tirar el exceso".

  3. Todo lo anterior abordaría la velocidad de la purga de calor, pero en resumidas cuentas, aún tendrá que purgarla al final. Todavía puede controlar cómo lo purga a la temperatura más baja del espacio circundante. Al estar toda su nave aislada térmicamente con la excepción de los radiadores , al controlar la dirección y el área de radiación y la temperatura de esos radiadores, puede usar la radiación térmica para la propulsión. Ocurrió inadvertidamente con Pioneer 10/11, la presión de radiación anisotrópica los ralentiza a una velocidad de 1 km/h durante un período de diez años.

En pocas palabras: no sé cómo o si realmente se puede construir una nave de generación, porque será una cuestión de tratar cuidadosamente de resolver una gran cantidad de problemas. Lo que puedo decir con certeza es que no se puede demostrar la posibilidad o imposibilidad de una nave de generación con cálculos en el reverso de una servilleta utilizando modelos simplificados.

Si observa cuánta energía necesitarían las personas en el barco para mantener la vida, entonces 10 ^ 16 W probablemente sea demasiado generoso. Pero si intenta acelerar la nave a una proporción razonable de la velocidad de la luz, ese es el orden de magnitud correcto que necesita, vea mi pregunta anterior vinculada al principio.
La propulsión de @quarague y el soporte vital son dos cosas diferentes. Para la propulsión, estaría absolutamente encantado si toda la energía se destina a crear el Δv y no tiene impacto en el calentamiento del cohete; no es como si un motor de cohete necesitara funcionar como un CE interno . Si no lo hace, parte de esa energía calienta su cohete, es una cuestión de "tasa de combustión": toda la energía requerida para alcanzar 0.5c puede volverse absolutamente asequible si la quema durante 1000 años. Todo fallará miserablemente si quieres acelerar a 0.5c en un segundo: en resumen, los humanos somos materia y estamos limitados por eso.
¿Cuánta energía puede usar internamente una nave espacial sin sobrecalentarse?
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