In Bezug auf das Hitzemanagement auf einem Raumschiff + Weltraumkampf

Es gibt mehrere Fragen in dieser einen Frage, daher bin ich versucht, als "zu weit gefasst" zu schließen, aber ich kann eine Ihrer Fragen beantworten, also werde ich:

Wenn ich Energie benötige und mein Reaktor Wärme abgibt, während er so etwas wie Elektrizität erzeugt, warum kann ich meinen Reaktor nicht einfach mit so etwas wie einem Mantel aus Sonnensegeln umgeben, damit ich die Wärme nutzen und in Strom umwandeln kann, wodurch JEDE Wärme umgangen wird Probleme im Prozess?

Schon mal von einem Matrjoschka-Gehirn gehört? https://en.wikipedia.org/wiki/Matrioshka_brain

Eine noch tiefere Beschreibung findet sich als Teil des Archivs von Orion's Arm . Warnung: Ich habe Freunde in Orion's Arm verloren. Du fängst an, einen Artikel zu lesen, und verlierst dich tagelang inmitten der fantastischen Visionen möglicher Zukünfte. PACKEN SIE EIN MITTAGESSEN ein, bevor Sie auf diesen Link klicken.

Dies ist im Grunde eine Dyson-Sphäre, dann eine weitere Sphäre, die von der Wärmeabgabe der inneren Sphäre lebt, dann eine weitere Sphäre darum herum und so weiter. Es gibt eine Menge Material auf der Welt darüber, wie man die Wärmeabgabe eines Prozesses nutzen kann, um den nächsten Prozess anzutreiben, der Energie benötigt. Ihr Vorschlag ist also im Kern vernünftig.

Das Problem ist, dass am Ende der Granaten letztendlich die letzte Granate tatsächlich Wärme in den Weltraum abführen muss, sonst schmilzt das ganze System zusammen. Während Sie also Ihren Reaktor für Schub und dann für die Zubereitung von Tee für die Besatzung verwenden können (um ein einfaches Beispiel zu nennen), müssen Sie irgendwann Wärme in den Weltraum leiten.

Beachten Sie, dass sogar die biologischen Prozesse Ihrer Besatzung dem System Wärme zuführen, die entlüftet werden muss. Jeder aktive Prozess auf Ihrem Schiff trägt zur Hitze bei. Sicher, das verblasst im Vergleich zur Hitze Ihrer Motoren, aber es muss angegangen werden oder Ihre Crew wird backen.

@SRM befasst sich mit der Frage der Rückgewinnung von Wärme als Strom. Dazu benötigen Sie eine Wärmedifferenz. Dein heißes Ding wird kühler und das coole Ding wird heißer. Weltraum zählt nicht als coole Sache. Auf einem Raumschiff haben Sie einen begrenzten Vorrat an coolen Dingen, die Sie erhitzen können, um Strom zu erzeugen.

"Hitze abzulassen" als Dampf beinhaltet den Verlust von Masse an den Weltraum; @Sherwood Botsford schlägt vor, dafür Dampf zu verwenden. Wenn du genug Masse hast, ist das in Ordnung. Wenn Masse kostbar ist, dann weniger. Mit der aktuellen Technologie ist Masse teuer, weil man sie zuerst von der Erde hochdrücken muss.

Wenn Sie heiße Masse nicht woanders abwerfen, ist Ihre Möglichkeit, Wärme abzuleiten, Strahlung. Andere auf der Erde nützliche Methoden beinhalten die Übertragung von Wärme auf eine handliche Masse - Konvektion (Gasmasse) oder Leitung (Nichtgasmasse). Beides ist im Weltraum nicht verfügbar. Satelliten haben Dinge wie eine vergrößerte Oberfläche, von der aus sie strahlen können, und maximieren das Reflexionsvermögen (Minimierung der Erwärmung durch einfallende Strahlung).

Du hast ein Raumschiff. Wenn Sie keinen https://en.wikipedia.org/wiki/Reactionless_drive haben, müssen Sie eine Art Masse als Treibmittel hinter sich werfen. Heiße Dinge haben genauso viel Masse wie kalte Dinge. Vielleicht könnte Ihr Motor eine doppelte Aufgabe erfüllen und auch als Wärmeabzug dienen? Wenn Sie ein Liebhaber von Steampunk-Space-Scifi sind, können Sie Sherwoods Idee nutzen und Ihr Schiff auf einer Wolke aus überhitztem Dampf vorantreiben.

Um auf deine indirekte Frage einzugehen...

Der Grund, warum Menschen Hitze erzeugen, ist, dass sie sich ansammelt und sehr gut sichtbar ist. Wärme strahlt sehr langsam ab, da sie ein Medium benötigt, um sich zu verteilen, und es im Weltraum nicht viel gibt. Am Ende halten Sie es mit wenig Verlust, aber solange Sie sich bewegen, können Sie es einfach durch Ablassen von Gasen entleeren. Wenn du dich nicht bewegst, erzeugst du einfach eine Gaswolke um dich herum, die weiterhin die Wärme um dich herum hält.

Das andere Problem ist, dass Sie idealerweise, wenn Sie in einem Militärfahrzeug sind, Ihre Position nicht preisgeben möchten, aber aufgrund von Hitzeproblemen leuchten Sie wie ein Weihnachtsbaum. Aus diesem Grund verwenden viele Science-Fiction-Geschichten Kühlkörper, um die gesamte Wärme zu sammeln und sie dann nur regelmäßig auszustoßen, anstatt sie abzustrahlen oder über Gas auszustoßen. Dann können Sie die Kühlkörper als Köder verwenden, wenn Sie das wirklich wollen. Das Problem bei der Kühlkörpermethode besteht natürlich darin, dass Sie die gesamte Wärme an einem bestimmten Ort halten und dafür sorgen, dass sie sehr heiß wird, was Sie tun, wenn Sie sich an diesem Ort befinden oder über Elektronik verfügen, die keine hohe Hitze aushalten kann wahrscheinlich nicht, aber es ist eine Taktik, die für kurze Zeiträume verwendet werden könnte.

Die anderen Antworten geben Ihnen die direkten Antworten ... Grundsätzlich erzeugt jeder Prozess Wärme. Selbst der kälteste funktionierende Prozess erzeugt Wärme. Wärme ist Bewegung. Wenn du etwas tust, bewegst du dich. Alles, was etwas tut, ist Wärme. Es ist wirklich so einfach. Wenn Sie das wissen, können Sie die Hitze bis zu einem gewissen Grad abschwächen. Jedes bisschen hilft und so würde ein Schiff mit so wenig beweglichen Teilen wie möglich konstruiert werden. Natürlich auch die praktische Technik. Alles, was sich bewegt, hat eine hohe Chance zu scheitern. In diesem Fall haben Sie aufgrund der Hitze nur einen außerkritischen Grund dafür.

Sie haben zwei Wärmequellen:

• Die Erzeugung von Wärme zu Strom. Die theoretische Grenze stammt von Carnot.

(Temp ein -Temp aus)/Temp ein.

Bei der Wasserstofffusion können Sie theoretisch sehr hohe Wirkungsgrade erzielen, da die Anfangsreaktion Millionen von Grad beträgt.

Postulieren Sie supraleitende Spulen für den Reaktor, und ein kleiner Teil Ihrer Energie geht durch Wärme verloren.

• Abwärme von Waffen und der Aktivität im Schiff

Laser sind derzeit notorisch ineffizient. Etwa 10 %?

Ich würde vorschlagen, Abwärme zum Kochen von Wasser zu verwenden, es unter Druck zu setzen, um Temperaturen zu überhitzen, und es dann in den Weltraum zu entlüften. Es würde sehr schnell abkühlen und zu Nebel kondensieren. Wasser- und Wärmemanagement würden gekoppelt. Wenn Sie genügend Druckspeicher haben, um ihn eine Weile zu halten, und dann in Ruhe strahlen, sparen Sie Wasser.

Beachten Sie, dass ein Bersten eines Hochdrucktanks den plötzlichen Tod für die Menschen in der Umgebung bedeutet. Informieren Sie sich über die Sicherheit von Hochdruckdampf.

Ein weiteres nützliches Werkzeug zum Bewegen von Wärme sind Wärmerohre. Nehmen Sie einen Schlauch, pumpen Sie die gesamte Luft heraus. Geben Sie einen Docht und eine geeignete Flüssigkeit hinein. Dies wird fast zu einem Supraleiter von Wärme. Der Docht bewegt Flüssigkeit zu beiden Enden des Rohres. Das heiße Ende verdampft die Flüssigkeit, das kalte Ende kondensiert die Flüssigkeit. Für Wasser funktioniert es gut von 0 ° C bis etwa 120 ° C, vorausgesetzt, unter 60 psi Druck. Propan eignet sich gut für niedrigere Temperaturbereiche. CO2 hat eine sehr große Bandbreite. Der maximale Bereich für eine bestimmte Flüssigkeit reicht meines Erachtens von ihrem Gefrierpunkt im Vakuum bis zu ihrem Tripelpunkt.

Einige Variationen eines Wärmerohrs können verwendet werden, um Abwärme in den Weltraum abzustrahlen.

Denken Sie daran, dass Hitze bergab geht – von einer höheren Temperatur zu einer niedrigeren Temperatur. Sie können es „herauspumpen“, aber dies erzeugt auch mehr Abwärme. Raumschiffe werden große Heizkörper haben, die bei etwa Raumtemperatur arbeiten. Dadurch werden große Mengen an Ferninfrarotstrahlung erzeugt. Diese Strahlung wird eine der Möglichkeiten sein, den Feind zu entdecken. Das Abschirmen dieser Strahlung und das Strahlen in Richtungen, in denen es keine feindlichen Detektoren gibt, wird Teil des Spiels sein. Die Strahlung nimmt mit der 4. Potenz der Temperatur zu. Verdoppeln Sie die Temperatur, und Sie benötigen einen Heizkörper, der nur 1/16 der Größe beträgt.

Sie benötigen zumindest ein konzeptionelles Verständnis der Thermodynamik, um dies plausibel zu machen. (Es gibt einen Grund, warum sich Ingenieure auf ThermoGodDamnics beziehen. Ich vermute, dass dies ein Grund ist, warum die meisten Weltraumopern das Problem einfach ignorieren.)

Wenn ich Energie benötige und mein Reaktor Wärme abgibt, während er so etwas wie Elektrizität erzeugt, warum kann ich meinen Reaktor nicht einfach mit so etwas wie einem Mantel aus Sonnensegeln umgeben, damit ich die Wärme nutzen und in Strom umwandeln kann

Es dreht sich alles um die Leistungsdichte

Militärschiffe brauchen eine hohe Leistungsdichte (RIESIG!!!). Es braucht es für:

1. Manövrieren als Schub$F = P/I_{SP}$($P$ist Macht,$I_{SP}$ist ein spezifischer Impuls). Sie möchten einen sehr hohen spezifischen Impuls haben, da dies der einzige Weg ist, wie Sie eine hohe Geschwindigkeit erreichen können, indem Sie eine begrenzte Speicherung von Treibstoff verwenden (siehe Raketengleichung für Details). Ihre Leistungsanforderung ist also$P = F I_{SP}$wo beides$I_{SP}$und$F$Sie möchten so hoch wie möglich sein. Aber wenn das Schiff manövrierfähig sein soll, sollte es auch sehr leicht sein, denn beim Manövrieren geht es um Beschleunigung$a = F/m = P/(mI_{SP})$. Damit$P/m = aI_{SP}$... und$P/m$ist deine Leistungsdichte.
2. Waffen Natürlich möchten Sie so viel Kraft wie möglich für Waffen haben, nicht nur, weil Sie mit Ihrem Laser so viel Energie auf das Ziel abgeben (und seine Panzerung abtragen) möchten, sondern auch, weil Sie mit Ihrem das weit entfernte Ziel schnell erreichen möchten Railgun, was bedeutet, dass Ihr Projektil eine hohe Mündungsgeschwindigkeit haben muss. Und Mündungsgeschwindigkeitsskalen$v_{muzzle} \approx P^3$(Ich will es hier nicht herleiten, aber glauben Sie mir). Trotzdem möchten Sie die Waffe aus dem gleichen Grund leicht halten, aus dem das gesamte Schiff leicht sein sollte - es muss manövrierfähig sein!

Sie können Abwärme als Energiequelle für den nächsten Prozess nutzen, aber ...

Natürlich können Sie zB die vom Motor des Daedalus-Projekts abgestrahlte Abwärme verwenden , um etwas Wasser zu erhitzen, Dampf zu erzeugen, und dann eine Turbine zur Stromerzeugung verwenden. Es ist eine Molybdänkugel mit einem Radius von 1000 m, 1600 K heiß, das ist eine Menge Abwärme! (Nach dem Stefan-Boltzman-Gesetz ist es 2 * pi * 1000 ^ 2 [m ^ 2] * 1600 [K] ^ 4 * 5,6e-8 ~ 2,3 TW Leistung (dh wie 2000 anständige Kernkraftwerke) oder die Hälfte des Stroms Stromverbrauch der Menschheit). => Ich schätze, Sie würden eine Art Wärmekraftmaschine (Biler, Turbine usw.) in der Größe dieser 2000 Kernkraftwerke benötigen. Vielleicht können Sie es ein wenig miniaturisieren (unter Verwendung besserer Materialien wie Stahl anstelle von Beton), aber es wäre immer noch SCHWER .

Lauf, es ist ein Pyramidenschema! :-)

all dies veranschaulicht nur das allgemeine Bild, das eine Kaskade ( Djoser-Pyramide ) ist.

• jeder Schritt dieser Kaskade (Pyramide) hat eine niedrigere Temperatur (unter Nutzung der Abwärme des Kühlers des vorherigen Schritts)
  • Daher benötigt es mehr schwere Maschinen und Platz (z. B. Fläche), da Wärmekraftmaschinen, die bei niedrigerer Temperatur arbeiten, für die gleiche Leistung größer sein müssen

Warum ist es so?

Ein Problem ist die Carnot-Effizienz $\eta = 1-T_C/T_H$Um also einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen, benötigen Sie eine hohe Differenz zwischen der Heiztemperatur$T_H$und kühlere Temperatur$T_C$. Wenn Sie einen niedrigen Wirkungsgrad haben, müssen Sie viel Wärme erzeugen und kühlen, aber Sie gewinnen nur wenig Arbeit.

Ein wichtigeres Problem ist die Dichte des Wärmeflusses . Wärmefluss unterschiedlich in unterschiedlicher Umgebung/Einstellung. Aber überall fließt Wärme bei hoher Temperatur schneller . Dies ist sinnvoll, da Wärme von einigen Teilchen übertragen wird (z. B. Molekularisierer von Gas, Elektronen von Metall oder Photonen von Strahlern). Je höher die Temperatur, desto mehr Energie ist pro Teilchen vorhanden und desto schneller sind die Teilchen (=> höherer Fluss oder Strom von Teilchen). Es ist lose mit dem 3. Hauptsatz der Thermodynamik verbunden, aber nicht sehr klar, daher denke ich, dass meine Erklärung mit der Geschwindigkeit von Teilchen klarer ist.

Der Unterschied ist manchmal RIESIG, bedenken Sie nur, wie viel Kühlerfläche Sie benötigen würden, um Ihr Dampfkraftwerk zu kühlen (unter Verwendung der Abwärme des Daedalus-Hauptmotors). Sie haben also 40% Carnot-Wirkungsgrad, daher gewinnen Sie 0,92 TW an Nutzarbeit und 1,38 TW an Abwärme in Form von heißem Wasser (Annahme: T ~ 100 ° C = 400 K). Unter Verwendung des Stefan-Boltzman-Gesetzes von oben benötigen Sie also ~ 1e + 9 m^2 Heizkörper (das ist ein Quadrat mit einer Seite von 33 km ) ! => Sie können das tun, aber Ihr Raumschiff wird erheblich schwerer.

Umgehung von Wärmeproblemen im Prozess?

Du kannst nicht. man braucht immer kühlung, weil jedes brauchbare gerät auf dem schiff arbeit leisten muss und arbeit nur auf kosten der abführung von wärme (=kühlung) geleistet werden kann. Dies ist der absolut allgemeine und wesentliche 2. Hauptsatz der Thermodynamik . Es hat etwas mit Informationen zu tun (Sie haben keine vollständigen Informationen über Position und Geschwindigkeit jedes Photonenteilchens, also können Sie sie nicht genau so einsetzen, wie Sie es möchten), scheint Maxwell Daemon(aber ich möchte nicht zu sehr auf die theoretische Physik eingehen). Das Beste, was Sie tun können, wird durch den oben erwähnten Carnot-Zyklus und die Carnot-Effizienz ausgedrückt. Sie mögen denken, dass dies etwas Spezifisches für Dampfmaschinen ist (wie ich dachte, als ich jung war), aber das ist es nicht, Carnot-Effizienz ist ein absolut allgemeines Gesetz für jedes Gerät, das Wärme in Arbeit umwandelt.