Wärmeübertragung von einem Raumschiff im Weltraum

Der Weltraum ist eine Umgebung mit sehr niedriger Temperatur, weist jedoch auch eine extrem geringe Anzahl von Partikeln pro Volumeneinheit auf. Dies führt mich zu der Annahme, dass es im Gegensatz zu gängigen Darstellungen des Wärmeverlusts im Weltraum bei einem hypothetischen Raumschiff im Weltraum nur sehr geringe Wärmeverluste durch Wärmeleitung geben würde. Wenn Sie in den Weltraum gebracht und mit Nahrung, Wasser, Wärme versorgt und vor dem Druck geschützt würden, würde das Raumschiff abkühlen, weil der Kopf vom Schiff wegstrahlt?

Diese Frage scheint nicht zum Thema zu gehören, da es um Probleme bei der Weltraumforschung geht. Vielleicht ist Space.SE für diese Frage besser geeignet?
Es ist eine physikalische Frage. Gibt es keine Physik im Weltraum?
Ja, ich habe gerade nachgeschlagen, dass es tatsächlich Physik im Weltraum gibt, und die Physik. SE im Gesicht enthält keine Regel, dass weltraumbasierte Physik nicht zulässig ist.
Sicherlich könnte man argumentieren, dass alles Physik ist , aber wir müssen "Thema x" nicht ausdrücklich per Regel vom Thema abbringen, wir können einfach wissensbasierte Entscheidungen treffen. Ihre Frage bezieht sich auf Probleme beim Eindämmen / Abführen von Wärme bei Reisen im Weltraum. meiner Meinung nach passt das besser auf die von mir verlinkte Space Exploration Seite als hier.
Im Kern scheint mir dies eine Frage der Wärmeübertragung innerhalb einer bestimmten Umgebung zu sein. Die Frage könnte aufpoliert werden (ich schätze, ich melde mich freiwillig zum Bearbeiten), um sich mehr mit der Physik und weniger mit dem Weltraum zu befassen, aber ich denke, hier besteht das Potenzial für gute Antworten.
Im Weltraum ist es ein Problem, sich warm zu halten. In der Erdumlaufbahn oder um einen Stern herum ist es ein Problem, cool zu bleiben. Aber im Allgemeinen ist die thermische Kontrolle kein so großes Problem, wie es in den Medien dargestellt wird. Es geht normalerweise darum, wie man das Raumschiff anmalt
Die Frage hatte einen unglücklichen Titel (jetzt bearbeitet), aber es scheint mir eine vollkommen faire Frage zu sein.
@Jim - Die Farbe, die Leute auf einem Raumschiff verwenden, ist nicht die Farbe, die Sie in Ihrem örtlichen Baumarkt kaufen können. Darüber hinaus sind Raumfahrzeuge typischerweise mit einer mehrschichtigen Isolierung bedeckt. Dies ist nicht die Isolierung, die Sie in Ihrem örtlichen Baumarkt kaufen können. Ja, das ist Technik (also vielleicht Off-Topic), aber es ist Technik, die mit viel, viel Physik untermauert ist.
@DavidHammen Als Ingenieur für Raumfahrtsysteme, der sich auf funktionale Beschichtungen für Raumfahrzeuge spezialisiert hat, weiß ich genau, welche Farben und Isolierungen verwendet werden

Antworten (2)

Beginnen wir damit, dass Sie sich im Schatten befinden, also keine Strahlung empfangen (abgesehen vom kosmischen Mikrowellenhintergrund, den wir meiner Meinung nach ignorieren können). Die Wärmemenge pro Flächeneinheit, die Sie abstrahlen, ergibt sich aus dem Stefanschen Gesetz :

(1) J = ε σ T 4

Der Emissionsgrad der menschlichen Haut beträgt angeblich 0,98 , und die Hautfläche eines erwachsenen Mannes beträgt etwa 2 m 2 , also einspeisen T = 37ºC ergibt eine Gesamtstrahlungsleistung von etwa einem Kilowatt. Die von einem erwachsenen Mann erzeugte Leistung beträgt etwa 120 W , bei Körpertemperatur verlieren Sie also etwa 880 W.

Um herauszufinden, auf welche Temperatur Sie abkühlen würden, nehmen wir einfach Gleichung (1) und geben ein J = 60W/m 2 und wir bekommen T = 180.000. Dies wäre fatal.

Interessant ist zu sehen, was passiert, wenn Sie direktem Sonnenlicht ausgesetzt sind. Auf der Umlaufbahn der Erde beträgt die Strahlung der Sonne etwa 1,4 kW/m 2 . Da nur die Hälfte Ihrer Haut beleuchtet wäre, würden Sie bei einem Nettogewinn von 400 W ein kW verlieren und 1,4 kW gewinnen. Um Ihre Gleichgewichtstemperatur zu ermitteln, füttern wir nur J = 1400W/m 2 in Gleichung (1) und wir erhalten T = 396K, was wiederum fatal wäre.

Die Entfernung von der Sonne, in der die von Ihnen abgestrahlte Wärme genau die empfangene Wärme ausgleicht, kann mithilfe des Abstandsquadratgesetzes berechnet werden. Wenn r E ist der Radius der Erdumlaufbahn und r ist der thermische Gleichgewichtsradius, den wir erhalten:

r 2 r E 2 = 1400 1000

oder:

r = 1.18 r E

Die Bearbeitung der Frage hat meine Antwort leicht sabotiert. Die Originalversion fragt: Oder würde sich die Körperwärmezugabe bei einer überlebensfähigen Temperatur mit der Strahlung ausgleichen? , weshalb ich den Wärmehaushalt eines menschlichen Körpers berechnet habe. Die Bearbeitung ändert die Frage in die Wärmebilanz für ein Raumschiff.
Mein Fehler. Das war die umfangreichste Bearbeitung, die ich je an einer Frage vorgenommen habe, weil ich das ganze Star Trek-Zeug entfernen und mich an die Physik halten wollte, sonst würde das OP wahrscheinlich weiterhin Ablehnungen bekommen. Ich denke, Ihre Antwort ist angesichts des Geistes der Frage immer noch großartig. +1
Ich bin ein bisschen verwirrt von dieser Antwort ... vielleicht liegt es daran, dass die Frage geändert wurde? Die von einem erwachsenen Mann abgestrahlte Nettoleistung beträgt 120 W bei einer Umgebungstemperatur von 290 K (Raumtemperatur). Die von einem erwachsenen Mann abgestrahlte Nettoleistung beträgt 1 kW bei einer Umgebungstemperatur von 0 K. Woher kommen die 880 K? Wenn Sie sich mit dem Weltraum (3 Grad Kelvin?) Äquilibrieren, beträgt Ihre Endtemperatur außerdem 3 K und nicht 180 K.
Gute Antwort. Es klingt sogar so, als würde es ziemlich schnell gehen. Sehr kontraintuitiv, ich versuche immer noch, mir den Kopf darüber zu zerbrechen, wie das möglich ist. Sind diese Gleichungen nicht genauso relevant auf der Erde? Wenn ich also ohne Kleidung in einem 20-Grad-Raum wäre, würde ich meine Wärme schnell abstrahlen und an Unterkühlung sterben? Denn ich garantiere Ihnen, dass das nicht passieren würde. Vielleicht übersehe ich einen wichtigen Mitwirkenden. Ich denke, es ist möglich, dass wir uns verwechselt haben, weil die menschliche Wärmeerzeugung keine Konstante ist, sie schwankt stark, um Sie auf einer stabilen Kerntemperatur zu halten.
@pentan Der Unterschied von 880 K bedeutet, dass Ihre 290 K-Umgebung 880 W auf Sie zurückstrahlt. - Die Gleichgewichtstemperatur von 180 K basiert auf der Annahme, dass die exothermen Prozesse des Körpers noch aktiv sind und 120 W abgeben. Natürlich wird die fatale Abkühlung auch auf 180 K diese Prozesse stoppen und dann den Weg zu 3 K ebnen .
Vielleicht, wenn wir uns der Frage aus einem Blickwinkel nähern, wie sich der Temperaturverlust im Weltraum im Vergleich zur Erde verändern würde? Auf der Erde verliere ich immer noch ungefähr 1KW. Recht? Was fügen wir dem für die Konvektion hinzu? Befinde ich mich im Schatten, erhalte ich keine direkte Sonneneinstrahlung. Ist das eine versteckte externe Quelle, die mich wärmt oder isoliert?
@HagenvonEitzen, die 120 W stammen nicht von "körperlichen exothermen Prozessen", sondern von Schwarzkörperstrahlung bei menschlicher Körpertemperatur. Sobald Ihr Körper unter die menschliche Körpertemperatur abkühlt (und nur dann), strahlen Sie weniger als 120 W ab. Siehe hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/bodrad.html
Ein kleiner Kritikpunkt ist, dass 37 die Körperkerntemperatur ist, die Oberkörperhauttemperatur variiert je nach Umgebungsbedingungen zwischen 33,5 und 36,9. Extremitäten sind kälter. Es wird jedoch keinen signifikanten Unterschied machen.
@pentane Lesen Sie den Link in der Antwort. Die angegebenen 120 W sind eine Schätzung der vom Körper produzierten Energie – sie stammen von geschätzten 2500 pro Tag verbrauchten Kalorien. Diese Zahl wird in dem von Ihnen bereitgestellten Link auf 90 W geschätzt.
@JohnRennie: Aus diesem Grund mag ich die Praxis anderer Stapel, solche Änderungen rückgängig zu machen. Wenn jemand eine ganz andere Frage stellt, sollte es eine neue sein. Wenn jemand anderes als das OP die Bedeutung einer Frage so sehr ändert, ist dies einfach falsch und nicht das, wofür die Änderungen gedacht sind.

Wenn Sie sich außerhalb des Sonnenlichts aufhalten, ist die Hauptkühlquelle die Strahlung. Die Menge an Nettowärme , die Sie abstrahlen, hängt von der Temperatur Ihrer Haut ab T s k ich n und die Umgebungstemperatur der Umgebung T a m b ich e n t :

Q t = e σ EIN ( T s k ich n 4 − T a m b ich e n t 4 )

wo
Q = Wärmeverlust in Joule
t = Zeit in Sekunden
e = Emissionsgrad der Haut ( ≈ 0,98 für den menschlichen Körper)
σ = Stefan-Boltzmann-Konstante
EIN = Oberfläche des menschlichen Körpers

Stecker T s k ich n und T a m b ich e n t in diesen Rechner und er berechnet den Wärmeverlust in Watt unter Verwendung der obigen Gleichung. Für die menschliche Körpertemperatur ( T s k ich n = 34 °C = 307 K) und Raumtemperatur ( T a m b ich e n t = 23 °C = 296 K), beträgt der Wärmeverlust 133 Watt. Für die menschliche Körpertemperatur und den Weltraum ( T a m b ich e n t = -270 °C = 3 K) liegt der Wärmeverlust bei knapp 1.000 Watt.

Angenommen, ein Mensch besteht aus 70 kg Wasser. Da die Wärmekapazität von Wasser 4,18 J/gK beträgt, reicht eine Person, die zehn Minuten lang 1.000 Watt abgibt, nur aus, um ihre Temperatur um 2 K zu senken. Um die Wärmestrahlung von Ihrem Körper weg auszugleichen, müssten Sie Lebensmittel mit 1.000 Watt zu sich nehmen = 14 Lebensmittelkalorien pro Minute.

Kekse

Einer dieser 50-Kalorien-Kekse alle 2-3 Minuten würde den Zweck erfüllen.

Mit anderen Worten, Sie haben Recht, dass der Weltraum nicht so "kalt" ist, wie es dargestellt wird. Ja, die Temperatur ist niedrig – aber es gibt nicht genug Materie da draußen, um irgendetwas schnell abzukühlen. Eine Thermoskanne ist in der Lage, Kaffee über lange Zeit heiß zu halten, indem sie sich genau dieses Phänomen zunutze macht.

Vielen Dank. Ich habe keine Ahnung, wie Wärmestrahlung funktioniert, aber wenn es um die Umgebungstemperatur geht, sollte es sich nicht auch um das Vakuum kümmern? Die Temperatur ist im Vakuum irgendwie irrelevant, oder? Es gibt kein Denken wie Temperatur ohne Masse. Der Weltraum ist vielleicht kein perfektes Vakuum, aber er ist ziemlich nah dran. Das heißt, seine Temperatur ist undefiniert. Recht? Oder bedeutet es Umgebungsstrahlung oder so?
+1 Tolle Antwort, bringt die Physik wirklich rüber. Ich bin mir ziemlich sicher, dass der menschliche Körper die Kekse in der Praxis nicht schnell genug verstoffwechseln kann, um sie herzustellen 1 k W , auch wenn Sie sie schnell genug gegessen haben. Ich glaube, dir wird nach etwa zehn Minuten einfach sehr schlecht und am Ende tödlich kalt. Aber Ihre Antwort zeigt sehr gut, dass die Dinge im Weltraum einfach nicht "einfrieren".
Und bedeutet das, dass Sie mit einer Jacke, die den Emissionsgrad reduziert, vollkommen in Ordnung wären? Es sieht auch so aus, als könnten Menschen über 1 kW Wärme erzeugen, zumindest für ein paar Stunden am Stück. Das würde mich also zu der Annahme veranlassen, dass der Weltraum etwas in der Größenordnung von -10 bis 30 ° C auf der Erde entspricht. Ziemlich kalt. Sie werden schließlich ohne Schutz sterben, aber es ist keine lächerliche Kälte, die eine Jacke nicht abdecken würde.
@WetSavannaAnimalakaRodVance Aber das ist für einen fettfreien Kuchen. Angenommen, wir verwenden eine Art Eskimo-Essen und sind extrem fit, denke ich, dass es tatsächlich im Bereich des Möglichen liegt (das Schlafen wäre wahrscheinlich ein Problem). Und das ganz ohne isolierende Tücher.
@JonathonWisnoski ja, die "Umgebungstemperatur" in dieser Gleichung ist auch strahlend. Für "Deep Space" könnten Sie die 3 Kelvin oder so der kosmischen Hintergrundstrahlung verwenden. Wenn Sie sich in der Nähe von Sternen oder anderen großen Strahlern befinden, würden Sie dies berücksichtigen und die Umgebungstemperatur wäre höher.
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