En lo que respecta a la gestión del calor en una nave estelar + combate espacial

Hay varias preguntas en esta pregunta, por lo que estoy tentado a cerrar como "demasiado amplia", pero puedo responder una de sus preguntas, así que voy a:

Si necesito energía y mi reactor emite calor mientras crea algo como electricidad, ¿por qué no puedo simplemente rodear mi reactor con algo así como un manto de velas solares, para poder aprovechar el calor y transformarlo en energía, eludiendo CUALQUIER calor? problemas en el proceso?

¿Alguna vez has oído hablar de un cerebro Matrioshka? https://en.wikipedia.org/wiki/Matrioshka_brain

Una descripción aún más profunda se encuentra como parte del archivo Orion's Arm . Advertencia: he perdido amigos en Orion's Arm. Comienzas a leer un artículo y simplemente te pierdes durante días en medio de las asombrosas visiones de posibles futuros. PREPARA UN ALMUERZO antes de hacer clic en ese enlace.

Esta es básicamente una esfera Dyson, luego otra esfera que vive de la salida de calor de la esfera interna, luego otra esfera alrededor de eso, y así sucesivamente. Hay mucho material en el mundo sobre formas de aprovechar la producción de calor de un proceso para alimentar el próximo proceso que necesita energía. Entonces, en el fondo, su propuesta es sólida.

El problema es que, en última instancia, al final de los caparazones, el último caparazón tiene que expulsar calor al espacio o todo el sistema se derrite. Entonces, si bien puede usar su reactor para empujar y luego usar su calor para preparar té para la tripulación (para usar un ejemplo fácil), en algún momento tendrá que filtrar calor al espacio.

Tenga en cuenta que incluso los procesos biológicos de su tripulación están agregando calor al sistema que deberá ventilarse. Cada proceso activo en tu nave se suma al calor. Claro, esto palidece en comparación con el calor de sus motores, pero debe abordarse o su tripulación se horneará.

@SRM aborda la cuestión de recuperar el calor como energía. Necesitas un diferencial de calor para hacer eso. Tu cosa caliente se enfría y la cosa fría se vuelve más caliente. El espacio no cuenta como lo bueno. En una nave espacial, tienes un suministro limitado de cosas geniales que puedes calentar para generar energía.

"Ventilar calor" como vapor implica perder masa en el espacio; @Sherwood Botsford propone usar vapor para eso. Si tienes mucha masa, está bien. Si la masa es preciosa, menos. Con la tecnología actual, la masa es cara porque primero hay que sacarla de la Tierra.

Si no está desechando masa caliente en otro lugar, su opción para deshacerse del calor es la radiación. Otros métodos útiles en la tierra implican la transferencia de calor a una masa práctica: convección (masa gaseosa) o conducción (masa no gaseosa). Tampoco está disponible en el espacio. Los satélites tienen cosas como una mayor área de superficie desde la cual irradiar y maximizar la reflectividad (minimizando el calentamiento de la radiación entrante).

Tienes una nave espacial. A menos que tenga un https://en.wikipedia.org/wiki/Reactionless_drive , necesitará lanzar algún tipo de masa detrás de usted como propulsor. Las cosas calientes tienen tanta masa como las cosas frías. ¿Tal vez su motor podría cumplir una doble función y también servir como escape de calor? Si eres un amante de la ciencia ficción espacial steampunk, podrías usar la idea de Sherwood y empujar tu nave en una columna de vapor sobrecalentado.

Para responder a su pregunta indirecta...

La razón por la que la gente menciona el calor es porque se acumula y es muy visible. El calor se irradia muy lentamente porque necesita un medio para dispersarse y no hay mucho en el espacio. Por lo tanto, terminas sosteniéndolo con poco que se desaparezca, sin embargo, siempre que te estés moviendo, puedes descargarlo a través de los gases de ventilación. Si no te mueves, simplemente creas una nube de gas a tu alrededor que continúa manteniendo el calor a tu alrededor.

El otro problema es que, idealmente, si estás en una nave militar, no te gustaría revelar tu posición, pero debido a problemas de calor, te iluminas como un árbol de navidad. Esta es la razón por la que muchas historias de ciencia ficción usan un disipador de calor para recolectar todo el calor y luego lo expulsan periódicamente, en lugar de irradiarlo o expulsarlo mediante gas. Luego, puede usar los disipadores de calor como señuelos si realmente lo desea. Por supuesto, el problema con el método del disipador de calor es que significa mantener todo el calor en un lugar determinado y hacer que se caliente mucho, lo que si está en ese lugar o tiene dispositivos electrónicos que no pueden soportar el calor alto, usted probablemente no quiera hacerlo, pero es una táctica que podría usarse por períodos cortos de tiempo.

Las otras respuestas le dan las respuestas directas... Básicamente, cada proceso genera calor. Incluso el proceso de funcionamiento más frío genera calor. El calor es movimiento. Si estás haciendo algo, te estás moviendo. Todo lo que está haciendo algo es calor. Es realmente así de simple. Puedes mitigar el calor hasta cierto punto sabiendo eso. Todo ayuda, por lo que un barco se diseñaría con la menor cantidad de piezas móviles posible. Por supuesto que la ingeniería práctica también. Todo lo que se mueve tiene una alta probabilidad de fallar. En este caso solo tienes una razón extra-crítica para hacerlo, debido al calor.

Tienes dos fuentes de calor:

• La generación de calor a energía. El límite teórico proviene de Carnot.

(Temp. entrada - Temp. salida)/Temp. entrada.

Para la fusión de hidrógeno, en teoría, puede tener eficiencias muy altas debido a que la reacción inicial es de millones de grados.

Postule bobinas superconductoras para el reactor, y una pequeña fracción de su energía se perderá en calor.

• Calor residual de las armas y la actividad dentro del barco.

Los láseres son notoriamente ineficientes en la actualidad. ¿Algo así como el 10%?

Sugeriría usar el calor residual para hervir agua, presurizarla a temperaturas de sobrecalentamiento y luego ventilarla al espacio. Se enfriaría muy rápidamente y se condensaría en niebla. La gestión del agua y del calor estarían acopladas. Si tiene suficiente almacenamiento presurizado para mantenerlo durante un tiempo, luego irradie a gusto, ahorrará agua.

Tenga en cuenta que si un tanque de alta presión se rompe, es una muerte súbita para las personas en el área. Infórmese sobre la seguridad del vapor a alta presión.

Otra herramienta útil para mover el calor son los tubos de calor. Tome un tubo, bombee todo el aire. Ponga una mecha y líquido adecuado en ella. Esto se convierte casi en un superconductor de calor. La mecha mueve líquido a ambos extremos de la tubería. El extremo caliente evapora el líquido, el extremo frío condensa el líquido. Para el agua, funciona bien desde 0C hasta aproximadamente 120 C, asumiendo una presión de 60 psi. El propano funciona bien para rangos de temperatura más bajos. El CO2 tiene un rango muy amplio. Creo que el rango máximo para un líquido dado va desde su punto de congelación en el vacío hasta su punto triple.

Se puede usar alguna variación en una tubería de calor para irradiar calor residual al espacio.

Recuerde que el calor corre cuesta abajo, de una temperatura más alta a una temperatura más baja. Puede 'bombearlo', pero esto también genera más calor residual. Las naves espaciales tendrán radiadores grandes que funcionarán a temperatura ambiente. Esto producirá grandes cantidades de radiación infrarroja lejana. Esta radiación será una de las formas de detectar al enemigo. Proteger esta radiación y enviarla en direcciones donde no hay detectores enemigos será parte del juego. La radiación aumenta con la cuarta potencia de la temperatura. Duplica la temperatura y necesitas un radiador de solo 1/16 del tamaño.

Necesitará al menos una comprensión conceptual de la termodinámica para lograr esto de manera plausible. (Hay una razón por la que los ingenieros se refieren a ThermoGodDamnics. Sospecho que esta es una de las razones por las que la mayoría de las óperas espaciales simplemente ignoran el problema).

Si necesito energía y mi reactor emite calor mientras crea algo como electricidad, ¿por qué no puedo simplemente rodear mi reactor con algo así como un manto de velas solares, para poder aprovechar el calor y transformarlo en energía?

Se trata de la densidad de potencia

El barco militar necesita una alta densidad de potencia (¡¡¡ENORME!!!). Lo necesita para:

1. maniobrando como empuje$F = P/I_{SP}$($P$es poder,$I_{SP}$es un impulso específico). Desea tener un impulso específico muy alto, porque esa es la única forma de lograr una alta velocidad utilizando un almacenamiento limitado de propulsor (consulte la Ecuación de cohetes para obtener más detalles). Entonces su requerimiento de energía es$P = F I_{SP}$donde ambos$I_{SP}$y$F$desea tener lo más alto posible. Pero si el barco debe ser maniobrable, también debe ser muy ligero, porque maniobrar es acelerar.$a = F/m = P/(mI_{SP})$. Asi que$P/m = aI_{SP}$... y$P/m$es su densidad de potencia.
2. armas , obviamente, desea tener la mayor potencia posible para las armas, no solo porque desea depositar la mayor cantidad de energía en el objetivo con su láser (y destruir su armadura), sino que también desea alcanzar el objetivo de larga distancia rápidamente con su cañón de riel, lo que significa que su proyectil debe tener una alta velocidad inicial. Y escalas de velocidad de salida$v_{muzzle} \approx P^3$(No quiero derivarlo aquí, pero créanme). Sin embargo, aún desea mantener el arma liviana por la misma razón por la que toda la nave debe ser liviana: ¡debe ser maniobrable!

Puede utilizar el calor residual como fuente de energía para el siguiente proceso, pero...

Claramente, puede, por ejemplo, usar el calor residual irradiado por el motor del Proyecto Daedalus para calentar algo de agua, producir vapor, que usar una turbina para generar electricidad. Es una esfera de molibdeno de 1000 m de radio 1600 K caliente, ¡eso es mucho calor residual! (Según la ley de Stefan-Boltzman , es 2*pi*1000^2 [m^2] * 1600[K]^4 * 5,6e-8 ~ 2,3 TW de potencia (es decir, como 2000 centrales nucleares decentes) o la mitad de la corriente consumo de electricidad de la humanidad). => Supongo que necesitarías algún tipo de motor térmico (biler, turbina, etc.) del tamaño de estas 2000 plantas de energía nuclear. Tal vez puedas miniaturizarlo un poco (usando mejores materiales, como acero en lugar de concreto), pero aun así sería PESADO .

¡Corre, es un esquema Pyramide! :-)

todo esto solo ilustra una imagen general que es una cascada ( piramide de Djoser )

• cada paso de esta cascada (piramida) está a una temperatura más baja (utilizando el calor residual del enfriador del paso anterior)
  • Por lo tanto, necesita más maquinaria pesada y espacio (por ejemplo, área), porque los motores térmicos que funcionan a temperaturas más bajas deben ser más grandes para la misma potencia.

¿Por qué es así?

Un problema es la eficiencia de Carnot $\eta = 1-T_C/T_H$, por lo que para tener una alta eficiencia necesita una gran diferencia entre la temperatura del calentador$T_H$y temperatura más fresca$T_C$. Si tiene una eficiencia baja, necesita producir y enfriar mucho calor, pero gana poco trabajo.

El problema más importante es la densidad del flujo de calor . El calor fluye de manera diferente en diferentes entornos/entornos. Pero en todas partes el calor fluye más rápido a alta temperatura . Esto tiene sentido, porque el calor es transferido por algunas partículas (por ejemplo, moléculas de gas, electrones de metal o fotones del radiador). A mayor temperatura, más energía hay por partícula, y más rápidas son las partículas (=> mayor flujo o corriente de partículas). Está vagamente conectado con la tercera ley de la termodinámica pero no muy claramente, así que supongo que mi explicación con la velocidad de las partículas es más clara.

La diferencia a veces es ENORME, solo considere la cantidad de área de radiadores que necesitaría para enfriar su planta de energía de vapor (utilizando el calor residual del motor principal de Daedalus). Entonces tiene una eficiencia de Carnot del 40%, por lo tanto, gana 0.92 TW de trabajo útil y 1.38 TW de calor residual en forma de agua caliente (suponga que T ~ 100 C = 400 K), por lo que usando la ley de Stefan-Boltzman de arriba necesita ~ 1e + 9 m ^ 2 de radiadores (es decir, cuadrado con lado 33 km )! => Puedes hacer eso, pero tu nave espacial será significativamente más pesada.

en efecto, eludiendo CUALQUIER problema de calor en el proceso?

No puedes. siempre necesita refrigeración, porque cada dispositivo útil en el barco necesita trabajar y el trabajo solo se puede crear a expensas de disipar algo de calor (= refrigeración). Esta es la segunda ley de la termodinámica absolutamente general y esencial . Tiene algo que ver con la información (no tiene información completa sobre la posición y la velocidad de cada partícula de fotón, por lo que no puede emplearlas exactamente como desea), parece Maxwell Daemon(pero no quiero entrar mucho en la física teórica). Lo mejor que puede hacer se expresa mediante el ciclo de Carnot y la eficiencia de Carnot mencionados anteriormente. Puede pensar que esto es algo específico para la máquina de vapor (como pensaba cuando era joven), pero no lo es, la eficiencia de Carnot es una ley absolutamente general para cualquier dispositivo que convierta el calor en trabajo.