¿Puedo usar un cubo de hielo como escudo térmico de reingreso?

Un comentario sobre una pregunta popular reciente me llevó a Stirring Tea y esta entrada

Para hervir una taza de agua, tendrías que dejarla caer desde más alto que la parte superior de la atmósfera.

Si eso es cierto, en teoría, una buena capa de hielo podría ser un escudo térmico viable. El mayor problema que viene a la mente es que el hielo de agua es relativamente frágil.

Suponiendo que pueda evitar que el hielo se rompa en el reingreso, ¿podría usarlo como escudo térmico en el reingreso a la Tierra?

El calor de la reentrada debe estar relacionado con la velocidad, el área superficial y la masa del objeto. Supongo que el vaso de agua que se deja caer es mucho más pequeño que una cápsula espacial y va mucho más lento que la velocidad orbital.
Lo curioso del agua y otros hielos volátiles es que son bastante explosivos en tales condiciones, como también lo demuestran los bólidos y superbólidos.

Respuestas (1)

Buena idea, pero no, no funciona.

Es cierto que un cubo de hielo a 100 km de altura tiene una energía potencial de casi un tercio de la necesaria para derretirlo y hervirlo por completo. Primer punto, como ya mencionaste: ¿Cómo mantener el agua líquida en su lugar?

Pero hablar de reingreso generalmente se aplica desde una órbita y, por lo tanto, con una velocidad de al menos 7,8 km/s. Esta energía cinética es unas 20 veces mayor que la energía potencial en 100 km de altura. Por lo tanto, debe deshacerse de aproximadamente 6 veces la energía que necesita el hielo para hervir.

Y, lo que es peor: hasta ahora solo hemos hablado del hielo en sí. Se coloca un escudo térmico para proteger algo, y también debemos deshacernos de la energía potencial y cinética de este algo. Si asumimos una carga útil del mismo tamaño que su bloque de hielo, y esa no es una buena proporción en absoluto, entonces tenemos que gastar aproximadamente 13 veces más energía de la que puede consumir el hielo mientras se evapora.

Por otro lado, cuando traigas material de un asteroide, podría ser una opción viable enterrarlo en lo profundo de una enorme bola de hielo, pero es mejor que no golpees el lugar equivocado en la tierra, ya que algo similar ya estropeó a nuestro amado. la vida de los dinosaurios hace algún tiempo.

Cuando se habla de protección térmica, también se debe tener en cuenta que su propósito no es absorber toda la energía cinética en el reingreso. Simplemente evita que el calor ingrese a la carga útil aprovechando su baja conductividad térmica (una característica que el agua no tiene) y optimiza la transferencia de calor al aire que pasa rápidamente. Las características ablativas de la mayoría de los materiales ayudan principalmente a mantener intactos el material y sus propiedades, aunque se vuelven más delgados con el tiempo.

Wolfram Alpha me dice 30 MJ/kg de energía cinética a 7,8 km/s, 0,4 MJ/kg para elevar la temperatura del agua 100 K, por lo que ~75 veces más energía.
Elevar la temperatura del agua no consume mucha energía, la evaporación requiere otros 2,2 MJ/kg y la fusión 0,3 MJ/kg. Si hierve una olla de agua, se necesitan, por ejemplo, 10 minutos para alcanzar los 100 grados centígrados, ¡pero otra hora hasta que la olla esté vacía!
Ah bien. Pero el agua, a diferencia del fenólico, fluirá fácilmente antes de hervir, ¿sí?
Un escudo térmico de cuerpo romo no necesita disipar casi toda la energía de entrada por sí mismo. La belleza de los cuerpos romos es que la onda de choque frente al cuerpo romo mantiene la gran mayoría de la carga de calor fuera del cuerpo y la envía. (Busque el artículo clásico de Allen y Eggers). Entonces, su cálculo es demasiado conservador.
@MarkAdler Tienes toda la razón cuando se trata de escudos térmicos reales. Pero como la pregunta menciona específicamente la alta capacidad calorífica como argumento central y, por lo tanto, mi respuesta explica por qué la capacidad calorífica no ayuda.
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