¿Cuánto control de temperatura necesitaría un traje EVA en Marte?

La temperatura media de la superficie de Marte es de -55 °C y puede descender hasta los -130 °C. Estas son temperaturas que suenan mortales al principio. Pero, por otro lado, la presión atmosférica en Marte es solo el 0,63% de la de la Tierra.

¿No significaría eso que la conductividad térmica de la atmósfera sería muy baja? En caso afirmativo, ¿no significaría esto que el traje espacial en realidad no perdería mucha energía térmica en el medio ambiente? Entonces, ¿podría un astronauta mantenerse caliente solo con su propio calor corporal y tal vez una capa de aislamiento pasivo, o se requeriría un sistema de calefacción activo?

ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20140003958.pdf - Discusión sobre el traje EVA para toda la gama de misiones.
@DeerHunter ¿Le gustaría buscar la información relevante en ese documento y formularla como respuesta?
Es relativamente fácil reducir en gran medida la pérdida de calor por radiación a través de una capa reflectante (como una manta espacial), esencialmente reflejando la radiación infrarroja en lugar de dejar que escape al medio ambiente.

Respuestas (1)

Sin duda, podría diseñar un traje de EVA que tenga una conductividad térmica lo suficientemente baja (o conductividad térmica efectiva) de modo que tenga una pérdida igual a la salida térmica típica de un cuerpo humano.

Podemos estimar la producción de calor del cuerpo humano en función de la ingesta calórica típica (sugerida).

2 , 000  California = 8.37 × 10 6  j

Si asumimos que todo esto se convierte en energía térmica, podemos diseñar un traje que coincida con esta entrada de energía. Según Wikipedia , la superficie media del cuerpo humano es 1.73   metro 2 .

Así que nos gustaría diseñar un traje con un flujo térmico de 4.84 × 10 6  j / metro 2 / día .

Joules/day es una especie de sistema de unidades desordenado. Podemos ordenar eso y convertirlo en julios/segundo o vatios.

4.84 × 10 6  j / metro 2 / día = 4.84 × 10 6 × ( 1 / ( 60 × 60 × 24 ) )   W / metro 2

Eso nos deja con un valor de casi exactamente 56   W / metro 2 .

Entonces, para diseñar para el peor de los casos (entorno más frío), tiene tanto la conducción desde la pared a la atmósfera como la radiación.

La convección de la pared exterior del traje es (derivada de la ley de Fourier):

q = k A ( T h o t − T C o yo d ) / d

Dónde:

  • q = tasa de transferencia de calor (en vatios)
  • k = conductividad térmica de la pared (en vatios por metro kelvin)
  • A = área de superficie de transferencia de calor (en metros cuadrados)
  • T h o t = temperatura caliente (en kelvin)
  • T C o yo d = temperatura fría (en kelvin)
  • d = distancia a la temperatura ambiente (en metros)

La radiación se puede calcular con la siguiente ecuación (derivada de la ley de Stefan-Boltzmann ):

q = σ × A × Δ T 4

Dónde:

  • q = transferencia de calor por unidad de tiempo (en vatios)
  • σ = Constante de Stefan-Boltzmann ( 5.670373 × 10 − 8 j s − 1 metro − 2 k − 4 )
  • A = superficie total del cuerpo emisor (en metros cuadrados)
  • Δ T = T h o t − T C o yo d (en kelvin)

Según el diseño de su traje, la transferencia de calor interna se producirá de dos maneras, ya sea por conducción a través del material o por radiación, si el diseño se basa en MLI .

Entonces, ¿es posible construir un traje EVA que no requiera una fuente de calor externa? Sí. Es una cuestión de la masa del traje resultante y si el ser humano dentro podría moverse en el traje potencialmente pesado.

"Es una cuestión de la masa del traje resultante y si el ser humano dentro podría moverse en el traje potencialmente pesado". - ¿Tiene usted una respuesta a esta pregunta? Porque no está tocando el núcleo de mi pregunta: ¿Cuál es la diferencia en la pérdida de calor entre los entornos de la Tierra y Marte?
@Philipp, la pérdida de calor por conducción será menor que en la tierra, la pérdida de calor por radiación será mayor. Fuera de eso, realmente depende del diseño del traje.
El diseño de un traje no podía basarse únicamente en la producción media de calor durante un día entero. Un ser humano en reposo produce de 70 a 100 W de energía térmica. Pero en el trabajo aumenta la producción de calor. Cuando un ser humano produce una potencia mecánica de 150 W, la producción de calor es de unos 450 W. Si el traje no necesita una fuente de calor externa, se necesitaría un sistema de refrigeración adaptativo para eliminar de 0 a unos 500 W de calor del traje.
@Uwe Tengo una respuesta simple a su comentario: disipadores de calor. Todos los materiales tienen una capacidad calorífica específica (la cantidad de energía necesaria para elevar su temperatura en un grado). Sería razonable suponer que puede hundir un par de cientos, si no miles de vatios, en el traje mismo. Agregue a eso algunas placas de cobre (por ejemplo) (en la parte posterior, por ejemplo) para facilitar la transferencia de calor y estará dorado (o de color cobre, supongo). :D
@ThePlanMan: Pero no se usaron disipadores de calor para los trajes de Apolo en la luna. El enfriamiento se hizo por evaporación de agua. Si la temperatura de los disipadores aumenta por la radiación solar por encima de unos 10 a 30 °C, son inútiles para eliminar el calor del traje. Necesitaría una bomba de calor pesada para transferir el calor de la prenda de enfriamiento del traje a los disipadores de calor y superar la diferencia de temperatura entre ambos. Pero la bomba de calor necesitaría energía adicional para funcionar.
@Uwe en lugar de usar una bomba de calor, una tubería de calor podría encajar mejor. Como dije en mi respuesta original (y como casi siempre es el caso en ingeniería), ciertamente es posible que la verdadera pregunta sea: ¿lo está haciendo realmente mejor que las alternativas? Si [inserte el multimillonario espacial de su elección aquí] me diera mucho dinero a cambio de hacer un sistema como este, seguro que podría hacerlo. Si, en cambio, me pidiera que hiciera un traje que funcionara en Marte y fuera bueno para la movilidad, la función y la confiabilidad, probablemente tendría una especificación de requisitos del sistema diferente.
@ThePlanMan: una tubería de calor no ayudaría si la temperatura de los disipadores de calor es demasiado alta en comparación con la temperatura corporal.
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