Plantas expuestas accidentalmente al vacío del espacio: ¿las salvarán los colonos a tiempo?

El problema principal es que, cuando uno de los dos invernaderos comienza a ventilar hacia el exterior, la descompresión del aire provocará una disminución de la temperatura, lo que eventualmente congelará las plantas.

Tan pronto como el agua dentro de las celdas se congele, explotarán debido a la expansión volumétrica resultante de la formación de hielo. Si el agua no se congela, se evaporará, reventando nuevamente la celda. Una vez que se rompe una celda, no puedes hacer nada para repararla.

¿Cuánto tiempo pueden sobrevivir estas plantas en el vacío hasta que se salvan?

Teniendo en cuenta que la capacidad calorífica de las hojas es bastante baja, de manera realista espero una mortalidad del 100 % en los primeros minutos después de que la temperatura baje del punto de congelación o el agua se evapore.

Podemos calcular eso. Dado que el aire se ha ido, el enfriamiento por convección [1] ya no es relevante. Voy a ignorar el enfriamiento por conducción [2], asumiendo que el invernadero está aislado de la superficie lunar. Esto nos deja con el enfriamiento radiativo [3]. El enfriamiento radiativo se puede calcular convenientemente utilizando estas calculadoras en línea [4] [5].

El daño no será igual en todas las plantas, así que analizaré los números para ver algunos ejemplos. El invernadero funcionará a 301 K, una temperatura que surgió cuando busqué en Google la temperatura óptima del invernadero [8]. Asumiré que la planta está muerta tan pronto como se alcancen los 273 K, ya que el agua se congelará aquí.

Repollo y lechuga arrepollada

Suposiciones:

$radius = 15 cm$radio promedio de repollo

$density = 362 kg/m^3$densidad aparente del repollo

$molar mass = 18,02 g$masa molar de agua (hay mucha agua, masa vegetal y aire; por lo tanto, debería sumar agua)

Tiempo de enfriamiento:

$ca. 900 s = 15 min$

Manzana, Tomate y Frutas

Incluso cuando las plantas están muertas, las semillas podrían salvarse para hacer crecer la próxima generación.

Suposiciones:

$radius = 5,3 cm$radio promedio de manzana

$density = 740 kg/m^3$densidad de manzanas

$molar mass = 18,02 g$masa molar de agua (hay mucha agua, masa vegetal y aire; por lo tanto, debería sumar agua)

Tiempo de enfriamiento:

$ca. 660 s = 11 min$

Plántulas y brotes

Supongo que trataré con una plántula más o menos esférica, es decir, una muy joven.

Suposiciones:

$radius = 0.1 cm$radio promedio de plántula

$density = 600 kg/m^3$densidad media de hojas

$molar mass = 25 g$masa molar de agua más ca. 7g

Tiempo de enfriamiento:

$ca. 7,3 s$

hojas

Suposiciones:

$thickness = 0.1 mm$grosor medio de la hoja

$density = 600 kg/m^3$densidad media de hojas

$specific heat = 1,76 J/g*K$valor para la madera, pero no pude encontrar nada mejor (no estoy seguro de si el mayor contenido de agua de la hoja aumentará el tiempo de enfriamiento o si la diferencia en el material lo empeorará).

Tiempo de enfriamiento:

$ca. 7 s$

Otros factores térmicos

No todas las plantas morirán al mismo ritmo y mis cálculos solo muestran cuándo comenzarán los daños por heladas. Las hojas, las plántulas y los brotes alcanzarán los 257 K (-20 C) después de unos 15 s. Mi suposición es que ese es el punto de no retorno con respecto al daño. Tenga en cuenta que las raíces y los troncos podrían sobrevivir mucho más tiempo, las primeras porque están enterradas (asumiendo que el invernadero usa tierra en lugar de agua rica en nutrientes, lo que empeoraría las cosas para las raíces (ver enfriamiento por evaporación [6])) y las segundas porque son mas gruesos. Sin embargo, algunas plantas podrían tener la suerte de ser salvadas de 2 a 5 veces el límite, supongo. Además, asumí que las plantas pueden irradiar calor libremente. En realidad, las plantas y la estructura se irradiarán calor entre sí y dado que la base de la luna estará aislada, realmente perder el calor podría llevar algún tiempo. Esto podría aumentar la escala de tiempo en algunos órdenes de magnitud. Mantener encendidas las lámparas de calor, las luces y los radiadores también contrarrestará la pérdida de calor, lo que podría hacer que el daño térmico sea improbable/imposible.

Entonces, a menos que las plantas terminen fuera del invernadero o que el techo esté arrancado de la congelación, parece estar fuera de la ecuación.

Conclusión

Tenga en cuenta que la temperatura no será la única fuente de daño. La descompresión tendrá un costo, dependiendo de su velocidad y la exposición al vacío en sí mismo dañará debido a la evaporación. Este experimento [7] expuso plantas (rábano, lechuga y trigo) a una presión de 0,015 atm durante 30 min. Se marchitaron un poco debido a la deshidratación, pero luego crecieron bien.

Así que el vacío no parece molestar mucho a las plantas y sus colonos no tienen prisa por restaurar el invernadero.

Esto es decepcionantemente anticlimático...

[1] https://en.m.wikipedia.org/wiki/Convección

[2] https://en.m.wikipedia.org/wiki/Thermal_conduction

[3] https://en.m.wikipedia.org/wiki/Radiative_cooling

[4] http://hiperfísica.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/cootime.html

[5] http://mc-computing.com/science_facts/RadiationBalance/CoolingCalc.html

[6] https://en.m.wikipedia.org/wiki/Evaporative_cooler

[7] https://www.google.com/amp/s/www.newscientist.com/article/mg20927953-500-vacuum-of-space-no-match-for-the-mighty-radish/amp/

[8] http://www.just4growers.com/stream/temperature-humidity-and-c02/understanding-the-optimum-temperature-for-plants.aspx

Las plantas están en problemas, pero la cantidad precisa de tiempo que tienen depende de muchos factores.

El principal problema al que se enfrentarán tus plantas será la evaporación. Sin embargo, esto no solo los deshidratará, sino que los congelará. Las plantas son porosas. Están cubiertos de pequeños agujeros llamados estomas que les permiten respirar, pero que también dejan salir agua. El punto de ebullición del agua depende de la presión atmosférica. En el vacío, el agua hierve incluso a 0 grados centígrados, la temperatura a la que se congela. Porque cuando el agua se evapora, se lleva el calor, el agua líquida que queda en el vacío hervirá continuamente hasta que el agua restante esté por debajo de 0 C y se congele. Las plantas son básicamente bolsas porosas de agua, por lo que les sucederá exactamente lo mismo, aunque un poco más lento.

Curiosamente, tenemos estimaciones bastante buenas de cuánto tiempo llevará esto porque el enfriamiento por vacío se usa con frecuencia para refrigerar rápidamente los productos. En el caso de las hojas, debería tomar solo un par de minutos de vacío fuerte para que se congelen, mientras que para las partes más gruesas de la planta, podría tomar cerca de 30 minutos.

Entonces, el principal determinante de qué tan rápido se congelarán sus plantas es qué tan severa es la descompresión. Si las plantas se sumergen inmediatamente en el vacío, solo tendrán unos minutos, pero si es una fuga más lenta, podrían durar horas.

Con respecto al calentamiento y enfriamiento radiativo, otro factor que debemos tener en cuenta es si es de día o de noche en la luna. La superficie de la luna durante el día puede alcanzar más de 100 C, mientras que por la noche alcanza menos de -150 C. Esto significa que un invernadero lunar deberá enfriarse durante el día y calentarse durante la noche. Si su descompresión ocurre durante el día, es posible que el calor del sol ayude a evitar la congelación por evaporación. Si ocurre de noche se congelarán algo más rápido.