En el espacio, ¿la diferencia de temperatura entre el interior y el exterior puede proporcionar energía útil?

Esta pregunta es intrigante debido a la naturaleza de los ciclos térmicos. Esta es la eficiencia teórica máxima de un ciclo térmico (ciclo de Carnot), sin peros, peros o condiciones al respecto.

Puedes obtener temperaturas muy bajas del espacio, porque el espacio está a una temperatura baja. A menudo escuchará citar el Fondo de microondas cósmico (CMB) para esto, pero eso es demasiado optimista. En teoría, un radiador podría acoplarse a esa temperatura, pero en la práctica tendrías que proteger la línea de visión de todas las estrellas del cielo. Prácticamente, la temperatura promedio de las estrellas CMB + es un límite inferior mejor, y nunca se acercará a eso.

Si un cuerpo negro estuviera expuesto a la radiación de la Tierra y el espacio en LEO, pero estuviera protegido del sol, podría llegar a -30 grados C. Obviamente, las sondas del espacio profundo no tienen que preocuparse por la radiación de la Tierra, y de todos modos podrías protegerte de eso.

Nos quedamos con la conclusión de que T_C, en el límite de Carnot, se puede hacer muy bajo. Eso sugiere una posibilidad muy real de un ciclo térmico entre el radiador y la "temperatura ambiente". Un ingeniero vacilará ante la mención de esto, pero podría tener un ciclo térmico entre esas dos cosas con una eficiencia del 90%. Creo que debemos reconocer que la respuesta a la pregunta, tal como se formula, es "sí".

Ahora, a las clasificatorias. Hay muchas penalizaciones por configurar algo como esto.

1. Para empezar, las estaciones espaciales tienen que gastar dinero en aislamiento, por lo que aumentaría ese costo (dramáticamente) para evitar que el flujo de calor pase por alto su radiador.
2. ¿De qué mecanismo físico harías este ciclo térmico?
3. El sistema afectaría el balance energético de la estación. Tendría que ser parte de la ingeniería térmica desde cero.

Lo único que esto realmente nos dice es que no es una consideración seria a corto plazo. Hay buenas razones por las que no tenemos una base de experiencia para el n.º 2, por ejemplo. Hay mucho trabajo en marcha con la recuperación del calor residual, pero a menudo con pequeños diferenciales de T, pero no solemos considerar el rechazo de calor a temperaturas muy bajas. Solo entraría en juego para los sistemas de recuperación de calor en plantas de nitrógeno líquido, por ejemplo. Si la memoria no me falla, creo que los sistemas termoeléctricos dependen de una fuente de temperatura muy alta. Todo se pone patas arriba al cambiar los rangos de temperatura de esta manera. Pero puede haber buenas opciones por ahí. Esta sería un área de estudio interesante, porque simplemente no vemos esas temperaturas súper bajas en la Tierra de forma natural. Por lo tanto, rara vez tendría sentido usarlo para el rechazo de calor. Tenga en cuenta, sin embargo, que los buenos motores térmicos no están garantizados. Las plantas térmicas en la Tierra a menudo solo pueden producir una eficiencia del 30-40% cuando el límite teórico es del 70% más o menos. Eso se debe a que los sistemas de mayor eficiencia simplemente no se ampliarán como necesitamos. Es difícil decir qué eficiencias podríamos obtener.

Pero no lo haríamos pronto porque los radiadores espaciales tienen un tamaño extremadamente grande, los diseños modernos requieren mucha masa y el aislamiento también cuesta dinero. El límite físico es el área, de las leyes de radiación térmica, pero a menudo están hechos de láminas de metal u otras cosas que son pesadas. Esto es razonable si considera que tendrán que contener un fluido a presión (y las fugas son malas). El límite real es la robustez para el entorno espacial, la capacidad de subir en un cohete y la capacidad de desplegarse en el espacio. Si pudiera extender una hoja mucho más ligera, se enfriará mucho más rápido. Pero, ¿cómo podrías recuperar esa frialdad? ¿Y cómo va a aguantar? En un futuro lejano, los sistemas de rechazo de calor espacial tienen mucho espacio para obtener un rendimiento muy bueno a través de sistemas grandes y frágiles en gravedad cero. Lo mismo ocurre con el aislamiento.

El equilibrio de calor con la estación no es completamente contraproducente. Esto solo funcionaría si se usara con una estación que estaba virtualmente perfectamente aislada para empezar (muy lejos), pero el "trabajo útil" se devolvería a la estación. Eso crea una situación interesante en la que recuperas gran parte de la energía que consumes. Las bajas temperaturas tienen valor económico al igual que las altas temperaturas. Pero tendrá alguna otra fuente de calor (el sol, por ejemplo), de todos modos, por lo que cualquier propuesta de acoplamiento de ciclos de calor desde la temperatura de la estación al espacio también tiene que competir con el acoplamiento a la temperatura más alta. El diseño definitivo para el movimiento de calor entre depósitos debería considerarse en un sentido holístico. Pero pude ver cómo la idea del OP tendría sentido en una estación alimentada por paneles fotovoltaicos, por ejemplo.

Un RTG se basa en el flujo de calor. Tienes que tener una forma de hacer que el calor fluya de un lugar a otro. No puede usar directamente un extremo directamente al espacio, simplemente no hay nada allí. Lo que terminas teniendo que hacer es usar radiadores, que irradiarán el calor al espacio, pero estos tienden a ser más cálidos que la propia nave espacial, ya que tienen calor residual. Además, las cifras de eficiencia de un termopar siempre son inferiores al 10 % y podrían ser mucho menores que eso.

Entonces, ¿de dónde vendría el calor, si no de un RTG? Tendría que ser calor residual de la electrónica o calor proveniente del sol. El calor residual normalmente se puede prevenir en la mayoría de los casos mediante un diseño cuidadoso y, por lo general, no es un problema importante. Del sol es posible, pero las células solares tienen una eficiencia de alrededor del 20 % o más y, a veces, un poco más que eso. Como las células solares son más eficientes, ¿por qué usar termopares?

En pocas palabras: en teoría, se podría usar un termopar para producir una pequeña cantidad de electricidad a partir del "calor residual" que se irradia desde un radiador. Pero en el mejor de los casos, podría proporcionar una pequeña cantidad de calor que podría mejorar ligeramente su eficiencia.