¿Los trajes usados ​​en Marte perderán kilogramos de "agua prescindible" cada vez que se usen?

Como Steve acaba de contribuir con una respuesta a esto... bueno, yo también lo haré. No hay necesidad de consumir y expulsar masa para controlar el calor. Marte es frío.

Véase, por ejemplo, este artículo de Science .

Aunque la sensación térmica en Marte no será un problema tan difícil como se suponía anteriormente, la pérdida de calor seguirá siendo un desafío, dice Osczevski. Por ejemplo, un explorador de Marte expuesto a vientos de 15 km/h en –40 °C perdería solo el 60 % del calor que un explorador del Ártico en las mismas condiciones. Solo el 30% de esa pérdida total de calor sería arrastrada por el aire enrarecido de Marte (una forma de convección); la mayor parte del resto se perdería a través de la radiación. Incluso en un entorno sin atmósfera, los objetos calientes irradian energía hacia un entorno frío, dice Osczevski. Ese cambio relativo en el modo de pérdida de calor significa que los ingenieros deberán diseñar trajes espaciales que eviten que el calor se irradie, posiblemente mediante el uso de revestimientos antirreflectantes.

Aun así, incluso las personas con traje espacial pierden calor a través de las botas y los guantes cuando se paran a la sombra o recogen muestras de allí, señala Osczevski: "Recoger una piedra de la sombra será como recoger un trozo de hielo seco".

MSL produce aproximadamente dos kilovatios de energía térmica y bombea eso alrededor del rover para mantener los sistemas calientes. Las placas frías del sistema térmico no están orientadas hacia el cielo y no consume masa para rechazar el calor.

Hasta donde yo sé, aún no se ha finalizado ningún traje de Marte. El traje Apolo A7L es realmente pesado (91 kg), lo cual era aceptable en la baja gravedad de la Luna. En Marte se volvería incómodo muy pronto, así que sospecho que veremos nuevos diseños de trajes para usar en Marte.

Marte es un entorno diferente a LEO o la Luna, por lo que el traje debe ser diferente de todos modos:

• es mucho más frío, por lo que hay menos necesidad de refrigeración. En LEO o en la Luna, la temperatura en la superficie de un traje oscila entre +150 y -100 °C. En Marte, la insolación es mucho menor (ingresa menos energía) y la atmósfera (por muy delgada que sea) estabiliza un poco las temperaturas de la superficie. Las temperaturas máximas en Marte rondan los +20 °C, las temperaturas más bajas rondan los -120 °C.
• un entorno más benigno (menos necesidad de protección contra micrometeoritos)

Bueno, por supuesto que no sabemos qué elegirán nuestros ingenieros, pero:

Marte tiene una atmósfera, por lo que es posible el enfriamiento/calentamiento tradicional de la Tierra. Piense en un elegante disipador de calor que se ejecuta en su MarsSuit.

Me parece plausible que un sistema de sublimación de CO2 sea una opción. Quizás en lugar de agua se gaste un tanque presurizado de CO2 líquido.

La ventaja sería que un compresor basado en una estación podría reponer el suministro de CO2 de la atmósfera marciana con el tiempo.

Tomemos el número de @Uwe de 500 W del calor corporal y el funcionamiento del traje. Esto debe eliminarse del traje de una forma u otra.

La conducción pasiva no es realmente una opción en Marte, el aire es demasiado delgado.

Podríamos comprimir el aire marciano y luego soplarlo a través de un intercambiador de calor. Supongamos que comprimimos x$kg/s$a una presión P$Pa$.

La energía necesaria para comprimir $n$mol de gas de volumen$V_1$a$V_2$es$W=nRT\ln\left({V2\over V1}\right)$entonces para comprimir 1 kg de atmósfera marciana a 250K a presión$P$es

Sumando los 500J producidos cada segundo dentro del traje y usando la capacidad calorífica específica conocida de$CO_2$encontramos que la energía de la compresión, más la energía del interior del traje calentarán los gases de escape a una temperatura de$T = 250 + {0.588\over x} + 53.7 \ln\left(P\over 600\right)$. Idealmente, nos gustaría que esta temperatura no sea mayor que la temperatura interna del traje, de lo contrario, tenemos que bombear calor, usando aún más energía. Digamos que el interior del traje es un acogedor 310K. terminamos con

Esto nos da un límite superior duro para$P$. Si$P$es demasiado grande, el término entre paréntesis de la izquierda será negativo y la ecuación no tendrá solución. En otras palabras, no podemos comprimir el gas más allá de cierto punto, o se calentará más que lo que estamos tratando de enfriar. Ese punto se produce cuando$P/600$es aproximadamente 3, por lo que nuestro límite es aproximadamente$2000 Pa$(0.02 atm) y a medida que nos acercamos a eso, la masa de gas que necesitamos por segundo se eleva al infinito. Entonces, para que esto funcione, necesitaríamos un intercambiador de calor capaz de perder 500 W de calor para$CO_2$a una presión de 0,02 atm y no mucho más frío que el intercambiador de calor. Esto parece un claro fracaso.

Nuestra siguiente opción es irradiar el calor. Podríamos imaginar una especie de "paraguas" sobre el traje dirigido para irradiar el calor hacia el cielo lejos del Sol. a 310K de nuevo, la radiación es de aproximadamente$500 W/m^2$, así que esto es mucho más prometedor. Cada traje necesitaría aproximadamente 1$m^2$panel del radiador apuntando al cielo oscuro. La ineficiencia probablemente aumentaría un poco eso, lo que comenzaría a volverse engorroso, pero el hecho de que la radiación aumente a medida que$T^4$significa que un poco de bombeo de calor, por lo que el radiador está quizás a 400 K, le permitiría encogerlo bastante.

Cualquier otra solución consiste básicamente en calentar algo (o tal vez someterlo a algún tipo de cambio de fase) y quitarlo del traje, ya sea inmediatamente (como en los enfriadores de sublimación originales de Apollo) o más tarde (como en los diversos enfriadores de bolsas de hielo). soluciones). El problema es encontrar un sistema que almacene suficiente energía por kilogramo. Vaporizar agua te da unos 2MJ/kg. Vaporizar CO2 te da quizás 400 kJ/kg, casi lo mismo que derretir hielo. Ninguno de estos es especialmente atractivo para trabajar todo el día en Marte.

ACTUALIZACIÓN: Ya se empiezan a comercializar las "baterías de hielo", actualmente como dispositivos de mayor escala para viviendas o edificios. Con la experiencia adquirida aquí, una versión en miniatura puede ser sencilla de desarrollar. Puede que no sea rentable para uso personal en la Tierra, pero teniendo en cuenta que el precio del "agua prescindible" en Marte puede ser "astronómico" al principio, esta parece ser cada vez más la mejor solución.

También se están explorando otros materiales de trabajo, como agua salada o mezclas de etilenglicol.

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tl; dr Posiblemente no, al menos no al principio. Una posible alternativa a la pérdida de agua por sublimación serían las bolsas de hielo intercambiables (una vez por hora o más) que se vuelven a congelar naturalmente en la superficie. Más tarde, después de que se lleve a cabo la recuperación de agua de las fuentes geológicas del subsuelo, la pérdida de unos pocos kilogramos por caminata espacial de 8 horas puede ser aceptable.

Según otros comentarios, "acondicionadores de aire" o$\text{CO}_2$los sublimadores probablemente no sean muy factibles termodinámicamente.

Los astronautas del Apolo tenían misiones relativamente cortas y, por lo tanto, se podían acomodar las 10 libras de "agua prescindible" para enfriar sus trajes por sublimación en el espacio por EVA.

En la ISS, los EVA son raros, ya que la mayoría de las cosas divertidas están en el interior o se accede robóticamente desde el exterior.

Sin embargo, una misión tripulada a Marte es un asunto diferente. Presumiblemente, no serían enviados allí para sentarse dentro de un "hab" durante seis meses y conducir robots controlados por radio afuera. El término "agua prescindible" suena mucho más doloroso si se tiene en cuenta que tendría que ser enviada desde la Tierra, o extraída minuciosamente del suelo subterráneo o posiblemente de los pequeños rastros en la atmósfera (?).

Mientras que la entalpía de sublimación del agua es de unos 51 kJ/mol , la entalpía de fusión (congelación) es casi diez veces menor, de unos 6,0 kJ/mol. Sin embargo, en Marte, si pones un montón de bolsas de hielo al aire libre por la noche, Estará bien congelado por la mañana, y también muy por debajo de 0 °C. Si alcanzan los -20 °C por la mañana, obtienes 1,5 kJ/mol adicionales.

7,5 kJ/mol equivalen a unos 1800 BTU de refrigeración para 10 libras de agua cautiva y recuperable. Entonces, aproximadamente una vez por hora, a veces más, simplemente cambia su bolsa de hielo por otra que ha estado afuera durante la noche.

Estos paquetes de hielo podrían tener algunas aletas de aislamiento simples que se abren pasivamente durante la noche para que puedan irradiar al espacio y se cierran cuando se calientan con la luz del sol, para que puedan permanecer fríos hasta el final del día.

Un paquete puede ser de 30 x 30 x 5 cm (alrededor de diez libras) podría irradiar alrededor de 250 W si se enfrenta a un espacio con una emisividad de, digamos$\epsilon$= 0.8, por lo que en solo unas pocas horas, podría "recargarse" con "frío" y estar listo para funcionar nuevamente.

Si se queda sin bolsas de hielo en la superficie (o en el exterior de su vehículo) en algún tipo de situación inusual, entonces puede morder la bala y perforarla y sublimar el agua líquida como lo hicieron en los "días de Apolo".

Estos serían paquetes de hielo de alta tecnología, capaces de intercambiar calor con el traje y con el espacio, y luego volver a aislarse durante el día, pero no puedo pensar en ninguna razón fundamental por la que esto no funcione.