¿Se podría usar un ventilador para evitar el sobrecalentamiento en una sonda espacial con destino a Venus?

Los ventiladores funcionan moviendo aire frío (u otro fluido) sobre una superficie cálida. Si no hay aire, como en el espacio, un ventilador no servirá de nada. Enfriar cosas en el espacio es en realidad un poco complicado debido a esto: los objetos en la Tierra tienden a perder la mayor parte de su calor por conducción o convección, pero en el vacío del espacio, todo lo que puedes hacer es irradiar calor, para lo cual un ventilador no ayudará. .

Venus tiene una atmósfera, por lo que un ventilador no sería intrínsecamente no funcional para la sonda espacial en la superficie del planeta. Pero dado que el aire de Venus está a varios cientos de grados centígrados en todo momento, no tendrá mucha suerte enfriando la electrónica con flujo de aire; a esa temperatura extrema, su electrónica probablemente enfriará el aire, y no al revés. Sin embargo, si sus dispositivos electrónicos normalmente se calientan más que la superficie de Venus, entonces un ventilador ayudaría a enfriarlos, pero esa sería una temperatura de funcionamiento normal absurdamente alta; si sus dispositivos electrónicos ya pueden sobrevivir eso, probablemente no necesite enfriar ellos en primer lugar.

En general, los ventiladores no son una forma útil de enfriar los componentes electrónicos de una sonda espacial, a menos que se encuentre en un lugar con una atmósfera fría (como Marte) o traiga su propio gas de intercambio de calor al vacío del espacio (consulte ¿Alguna vez se usan ventiladores en nave espacial sin tripulación? ).

El efecto de un ventilador en un dispositivo electrónico es acelerar el intercambio de temperatura entre los circuitos y la atmósfera.

Pero ese intercambio de temperatura funciona en ambas direcciones. Cuando la atmósfera es incluso más caliente que los componentes electrónicos a los que se expone, mejorar el flujo con un ventilador hará que la pieza se caliente aún más. Ese es el principio detrás de un horno de convección o un secador de pelo de aire caliente, por cierto.

Por lo tanto, agregar ventiladores a una sonda que se supone que debe permanecer por debajo de los 100 °C dentro de la atmósfera de 450 °C de Venus sería bastante contraproducente.

Como se señaló, un ventilador de refrigeración no puede reducir la temperatura por debajo de la temperatura ambiente. Eso no significa que sea completamente inútil en este caso.

Primero, OP dijo "Venus-bound". En este caso, se podría usar un ventilador para transferir el calor de las secciones expuestas al sol a las secciones sombreadas, o incluso mejor, a los disipadores de calor radiantes en el lado sombreado.

Incluso cuando esté en el planeta, podría usarse para distribuir aire enfriado por un sistema de enfriamiento centralizado (que probablemente debería estar activo, ya que la mayoría de los componentes electrónicos están basados ​​​​en silicio y no funcionarán bien por encima de 150C).

Si se utilizan circuitos de alta temperatura que pueden funcionar a unos 500 °C, un ventilador ayudaría a distribuir el calor generado por los dispositivos de alta potencia.

El calor se intercambia a través de tres mecanismos:

• convección (transferencia de calor en gases y fluidos)
• conducción (transferencia de calor entre objetos sólidos en contacto)
• radiación (transferencia de calor a través de radiación térmica)

En presencia de una atmósfera, la transferencia por convección suele ser la más eficiente, seguida de la conducción. La radiación es, por mucho, la forma más débil de transferencia de calor.

De camino a Venus, la sonda está en el espacio y, por lo tanto, la forma más fuerte de transferencia de calor no está disponible. No hay atmósfera que se pueda usar para transferir calor desde o hacia. Esto deja la conducción y la radiación. El calor viaja a través de la sonda por conducción. La electrónica calienta la sonda. Pero, por lo general, la conducción no es suficiente para calentar toda la sonda por igual, aún tendrá partes más calientes y partes más frías. El exceso de calor se elimina a través de la radiación, generalmente con dispositivos especiales llamados radiadores (que se parecen mucho a los paneles solares).

Pero a medida que te acercas al sol, la sonda absorbe más calor, mientras que la radiación se vuelve más difícil. La temperatura de equilibrio aumenta y la sonda se calienta.

Tan pronto como ingrese a la atmósfera de Venus, la convección estará disponible como un método de transferencia de calor y un ventilador será aplicable. Sin embargo, la temperatura atmosférica en la superficie de Venus es de hasta 470 °C. La transferencia de calor funciona en ambas direcciones, si sopla aire caliente (o gases o fluidos) sobre una superficie fría, la superficie fría se calienta (sopla aire caliente sobre hielo, se derrite más rápido).

Entonces, básicamente, un ventilador simplemente aceleraría la desaparición de la sonda, ya que el aire caliente y ácido de Venus puede transferir eficientemente su calor a la electrónica.

Para eliminar el calor, necesita algo más frío a lo que pueda transferir calor . En el espacio, no hay ninguna materia a tu alrededor a la que puedas transferir calor, por lo que la radiación es la única opción. Es por eso que la ISS tiene un radiador tan grande: es para arrojar el exceso de calor.

En la atmósfera de Venus, tienes materia para la transferencia de calor. Pero ese asunto ya es mucho más caliente que la temperatura de funcionamiento de la sonda, por lo que normalmente intentaría minimizar la transferencia de calor para que la sonda se mantenga fría por más tiempo y tenga un tiempo de trabajo más prolongado.

Tenga en cuenta que los fanáticos solo se sienten fríos con un humano. Un ventilador en tu escritorio en realidad no enfría nada. Un ventilador en su escritorio sopla aire seco a la misma temperatura que la temperatura ambiente sobre su piel. El sudor de la piel se evapora mejor ya que la humedad se lleva en la corriente de aire. Es el proceso de evaporación lo que localmente baja la temperatura ya que el agua necesita energía para pasar de líquido a gaseoso - esta energía viene en forma de calor que se elimina de la piel, haciéndola sentir más fría.

Sin embargo, puede usar un ventilador internamente, por ejemplo, para hacer circular gases o fluidos dentro de la nave espacial para distribuir el calor dentro de la nave espacial, por ejemplo, desde un almacenamiento en frío a secciones más cálidas como el casco. Sin embargo, en ese caso, el ventilador no se usa para enfriar, sino para la circulación (cf. ¿ Se usan ventiladores alguna vez en naves espaciales sin tripulación? ). Pero no puede hacer que la nave espacial se enfríe per se con esta técnica, excepto cuando transfiere calor de esa manera a un radiador donde luego se elimina por radiación térmica.

Tenga en cuenta que en cualquier sistema cerrado , un ventilador necesariamente solo agrega calor porque funciona: el motor tiene que girar, con todo lo que eso conlleva.

Es posible enfriar con un ventilador por debajo de la temperatura ambiente con la ayuda de enfriadores termoeléctricos como estos .

Por otro lado, los dispositivos debajo del enlace solo admiten una diferencia de temperatura de aproximadamente 70 grados, por lo que cinco deben conectarse en cascada para Venus, utilizando 150 W en total, lo que es muy exigente para una nave espacial que funciona con baterías. Los dispositivos exteriores tampoco están protegidos del calor de Venus y deben poder resistirlo.