Sie müssen nichts Besonderes tun

Mehr als etwa 5 AE von einem Stern entfernt, hat der interstellare Raum eine durchschnittliche Temperatur von etwa 2 Grad Kelvin.

Die Strahlungsleistungsgleichung lautet:

$P_{radiant} = A \epsilon \sigma T^4$

Wo$\sigma$ist die Boltzman-Konstante =$5.67 \times 10^{-8} W \times m^{-2} \times K^{-4}$

Angenommen, Ihre Schiffskühler sind nicht sehr heiß (25$^0C$/ 300$^0K$), sind ziemlich gut ($\epsilon$~ 1) und Sie die gesamte Oberfläche Ihres Raumschiffs zum Abstrahlen nutzen können, erhalten Sie 459 Watt pro Quadratmeter Wärmeabstrahlungsvermögen. Angenommen, ein 1-Gigawatt-Laser, der 1% Abwärme (10 Megawatt Abwärme) erzeugt, würde einen Abschnitt des Rumpfes von 150 Metern (~450 Fuß) an einer Seite benötigen.

Was Sie optimieren können, indem Sie Ihre Schiffsoberfläche durch Techniken wie Grate (wie einen CPU-Kühlkörper) vergrößern. Angenommen, ein x8-Multiplikator, der Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Wälder verwendet, um die Oberfläche zu vergrößern, bringt dies auf ein Quadrat von 18 Quadratmetern reservierten Rumpfraums.

Die Effizienz dieses Systems würde sinken, wenn Sie sich einem Stern nähern und die Durchschnittstemperatur zu steigen beginnt.

Sie könnten alternativ die gesamte Wärme in ein Gas mit hoher Wärmekapazität leiten und es über Bord ablassen, um Platz zu sparen. Wasser ist ein gutes Gas mit hoher Wärmesenke, das etwa 2.257 Joule pro Gramm Wasser aufnimmt (ein Joule entspricht 1 Watt, das für 1 Sekunde angewendet wird).

Auf den gleichen 1-Gigawatt-Weltraumlaser mit 1 % Abwärme-Lasern für 1 Sekunde angewendet (nur um die Mathematik zu vereinfachen), müssten Sie 4,43 Kilogramm Dampf pro Zündung über Bord werfen. Was nicht unvernünftig ist.

Aber wenn Sie sich für Fancy entscheiden

Die absolut zeit-, platz- und masseneffizienteste Art, Abwärme zu entsorgen, ist sie zu recyceln. Fusionsreaktionen nach Eisen im Periodensystem sind endotrop, was bedeutet, dass ein Nettoenergieverbrauch erforderlich ist, um die Änderung von zwei Atomen durchzuführen, die schwerer als oder gleich Eisen sind. Und die verbrauchte Energiemenge ist vergleichbar mit jeder anderen atomaren Reaktion und liegt bei etwa 0,1 % bis 10 % der beteiligten Masse-Energie (ungefähr 9 Terajoule pro Gramm). Mit einer Handwavium-Technologie, die es ermöglicht, Abwärme auf diese Weise umzuleiten, könnten Sie auf diese Weise viel Abwärme speichern.

Ich werde meine Antwort in zwei Abschnitte unterteilen; zuerst, welches Gas für diese Aufgabe am besten geeignet wäre. Zweitens, welcher Prozess wäre der effizienteste.

Bestes Gas
Ich werde unverblümt sein. Wasser . Aber! (Ich höre euch alle schreien) Wasser ist kein Gas! Nun, nein, ist es nicht. Aber Dampf ist. Was für Wasser spricht, ist, dass es eine wirklich hohe spezifische Wärmekapazität hat – 4,18 J/g/C° und Wasser selbst in flüssiger Form sehr dicht ist, was es zur idealen thermischen Masse macht. Basierend auf der spezifischen Wärmekapazität (SHC) braucht es etwa 40 kJ, um einen Liter Wasser um etwa 10 C° zu erwärmen, und seine Dichte bedeutet, dass Sie viel mehr Wärme auf einem viel geschlosseneren Raum speichern können.

Diese Art der thermischen Masseneigenschaft ist genau das, was oft verwendet wird, um Abwärme für die zukünftige Nutzung zu gewinnen; Bei der Erfassung von Körperabwärme in einem Stockholmer Bahnhof wird genau diese Methode zur Erfassung und Wiederverwendung der Wärme verwendet, also ist dies ein Ansatz, der bereits verstanden wird.

Kurz gesagt, Ihr „Kühlgas“ ist Dampf.

Beste Entlüftungsmethode
Nicht. Ich meine, sicher; Sie könnten den Dampf einfach in den Weltraum ablassen, aber das Wasser (selbst mit der darin enthaltenen Hitze) ist für Ihr Schiff immer noch viel nützlicher, und wenn Sie eine andere Methode finden, um die Hitze zu verteilen, müssen Sie kein Wasser tragen (was schwer ist ) als verbrauchbare Ressource. Wenn Sie es auf diese Weise verwenden, tragen Sie immer viel mehr Wasser mit sich, als Sie benötigen, und angesichts der hohen Dichte und Masse, mit der Sie arbeiten, ist das keine gute Sache.

Aber Wasser (und Dampf im weiteren Sinne) ist sehr nützlich. Lassen Sie es nicht verkommen, sondern ziehen Sie die Energie für Ihre eigenen Zwecke wieder heraus.

Die erste und offensichtlichste Verwendung dafür ist der Antrieb einer Turbine. Nutze die Energieverschwendung deines Gefechts, um einen Generator anzutreiben, der es dir ermöglicht, die kritischen Systeme deines Schiffs von einer alternativen Energiequelle zu betreiben, sodass deine Hauptmaschinen für Manöver und Waffen übrig bleiben. Verwenden Sie es auch, um kritische Bereiche des Schiffes über interne Radiatoren warm zu halten, so dass Sie das normale Lebenserhaltungssystem ausschalten können, was wiederum die Energie Ihres Hauptreaktors spart.

Schließlich, wenn das Wasser einfach ZU heiß ist, erstellen Sie einen kleinen Abschnitt im Inneren des Rumpfes, der leer und offen zum Weltraum ist (natürlich hinter einer ernsthaften Rumpfabschirmung, vorzugsweise zwischen den Wohnbereichen und den Motoren, und platzieren Sie Ihre Kühler dort, um das abzuleiten Hitze.

Wenn Sie all dies tun, erhalten Sie einen unerwarteten Vorteil, der Sie auf allen Weltraumspuren wirklich gefürchtet macht:

Ihr Schiff ist ein Steampunk-Kreuzer.

Leite die Hitze mit den Kugeln ab

Dies ist nicht gerade ein effizienter Weg, aber ich denke, es ist cool und auch praktisch, weil es etwas nutzt, das Sie bereits haben und im Kampf verwenden, um den Kampf zu kühlen.

Sie sagten "[...] indem Sie eine Railgun abfeuern [...]" und ich habe verstanden, dass Railguns Munition verwenden, um zu arbeiten. Sie könnten die Hitze Ihres Schiffes auf die Munition der Kanone übertragen und diese Munition dann auf Ihren Feind schießen.
Auf diese Weise:

• Leiten Sie Ihren Wärmeüberschuss ab.
• Überhitzen Sie Ihren Feind.

Um die Wärme auf Ihre Munition zu übertragen, müssen Sie nur eine Wärmepumpe verwenden , wie die Klimaanlage oder den Gefrierschrank Ihres Hauses, nur ... größer.

Eine Wärmepumpe ist ein Gerät, das Wärmeenergie von einer Wärmequelle auf eine sogenannte Wärmesenke überträgt. Wärmepumpen bewegen Wärmeenergie in die entgegengesetzte Richtung der spontanen Wärmeübertragung, indem sie Wärme aus einem kalten Raum aufnehmen und an einen wärmeren abgeben. Eine Wärmepumpe verwendet eine kleine Menge externer Energie, um die Energieübertragung von der Wärmequelle zur Wärmesenke zu erledigen.

Es funktioniert nach dem Wärmepumpenkreislauf . Unter diesem Link finden Sie verschiedene Möglichkeiten, eine Wärmepumpe herzustellen.

Wahl des Kühlmittels

Wasser

Wie in anderen Antworten erwähnt, ist Wasser das beste Kühlmittel in dem Temperaturbereich, den Sie für Ihren Laser erwarten können. Es absorbiert Wärme schnell (große Wärmeleitfähigkeit), absorbiert viel davon, um 1 kg um 1 K zu erhöhen (große spezifische Wärme), und absorbiert noch mehr beim Schmelzen (große latente Schmelzwärme) und beim Verdampfen (große latente Verdampfungswärme). ). Beachten Sie, dass Sie es gefroren lagern würden, um den vollen Nutzen daraus zu ziehen.

Es ist auch ein ziemlich guter Treibstoff für nuklearthermische oder nuklearelektrische Antriebe, sodass Ihr Schiff diese wahrscheinlich als Treibstoff trägt und keine ansonsten nutzlosen Tanks mit Kühlkörpern schleppt.

Wasserstoff

Wenn Ihre Technik kryogene Temperaturen benötigt, ist flüssiger Wasserstoff bei weitem die bessere Option. Es hat die beste spezifische Wärme aller Zeiten und eine ziemlich gute latente Verdampfungswärme.

Es gibt tatsächlich einen hypothetischen Raumschifftyp, der teilweise getarnt ist, indem er ein riesiger Tank mit flüssigem oder gefrorenem Wasserstoff und einer Vantablack-Beschichtung ist, wobei der Rumpf durch Verdampfen von Wasserstoff auf extrem schwer zu erkennende 14 K heruntergekühlt wird. (Siehe Details auf Atomic Raketen ) Ob der Stealth-Aspekt selbst funktionieren würde oder nicht, ist umstritten, aber das Schiff selbst könnte, wenn es groß genug ist, jahrelang im Sonnenlicht bleiben - Wasserstoff ist so gut .

Andererseits hat Wasserstoff eine absurd niedrige Dichte, und gepanzerte Kriegsschiffe möchten vielleicht keine riesigen Treibstofftanks haben. Entweder würden sie feindlichem Feuer ausgesetzt sein oder sie würden riesige Mengen an Rüstung benötigen. Und die Panzerung ist schwer, was schlecht für ein Raumschiff ist. Wie Sie wahrscheinlich schon oft auf Atomic Rockets gelesen haben, zählt jedes Gramm.

Ähnlich wie Wasser sind diese Wasserstofftanks wahrscheinlich in erster Linie Ihr Treibstoff. Wasserstoff ist schließlich der nach Masse effizienteste thermische Treibstoff.

Natrium

Wenn Sie mit sehr hohen Temperaturen umgehen müssen und kein Wasser verwenden möchten, das korrosiv sein oder sogar in Wasserstoff und Sauerstoff dissoziieren kann, sollten Sie sich für Natrium entscheiden.

Seine spezifische Wärme ist im Vergleich zu den anderen nicht so groß, aber sein Siedepunkt ist viel höher. Tatsächlich wird es in einigen Kernreaktoren als Kühlflüssigkeit verwendet.

Während es also nicht Ihr Treibstoff wäre, wären diese Natriumtanks stattdessen Ihre Kühlmittelreserve. Auch hier hätten Sie es sowieso, und der Opferkühlkörper wäre eine Notsekundärverwendung.

Heizkörper

In einem Raumfahrzeug hat alles, was größer als eine Kurzstreckenkapsel ist, Radiatoren. Die ISS hat sie (diese großen Ziehharmonika-Paneele in einem Winkel zu den Solarpaneelen), das Space Shuttle hatte sie (die Innenseite der Frachtraumtüren) ...

Zukünftige Raumschiffe, insbesondere Kriegsschiffe, werden über enorme Energiequellen verfügen (seien es Triebwerke oder sogar oft die Antriebe selbst), die enorme Kühler benötigen, um die Abwärme loszuwerden.

Beachten Sie, dass verschiedene Komponenten unterschiedliche ideale Temperaturen haben, z. B. Mannschaftsquartiere bei 300 K und Kernkraftwerke bei 1400 K. Sie könnten zwar versucht sein, Wärmepumpen zum Temperaturausgleich zu verwenden, dies erhöht jedoch die Komplexität und ist bei großen Temperaturunterschieden unpraktisch, wo dies der Fall ist massiv ineffizient werden.

Stattdessen hat jede Komponente mit einer anderen Temperatur ihre eigenen Heizkörpersätze. Wahrscheinlich kleine (wie auf der ISS) für die Mannschaftsunterkünfte und größere, möglicherweise rot leuchtende, für das Triebwerk. Einige für Ihre kryogenen Komponenten (wie auch diese Wassertanks) Vielleicht auch einige mehr für verschiedene Waffen.

Im Allgemeinen möchte man beim Entwerfen eines Bauteils, dass es eine möglichst hohe Arbeitstemperatur hat. Denn der Kühlerwirkungsgrad steigt mit der vierten Potenz der Temperatur. Und Sie möchten, dass Ihre Strahler so klein wie möglich sind, denn sie sind nicht nur schwer, sondern auch großartige Ziele.

Der Vorteil ist, dass Heizkörper optisch fantastisch sind und Ihr Kriegsschiff knallhart aussehen lassen. Nichts vermittelt (im wahrsten Sinne des Wortes) ein Gefühl von Macht wie zwei riesige orange leuchtende Segel.

Kühlkörper entlüften

Ihr Sternenkreuzer hat also seine Kühler eingefahren, um zu vermeiden, dass sie angeschossen werden. Oder einige von ihnen wurden durch feindliches Feuer abgerissen. Oder seine Waffen erzeugen so viel Abwärme, dass selbst seine volle Kühlerausstattung sie unter Kampfbedingungen nicht vollständig loswerden kann. Kühlkörper füllen sich...

Warum entlüften?

Idealerweise möchten Sie sie so lange wie möglich bei sich behalten. Schließlich können Sie, sobald der Kampf beendet ist, oder selbst wenn die Orbitalmechanik Sie vorübergehend außer Reichweite bringt, Ihre (verbleibenden) Heizkörper verwenden, um ihn wieder abzukühlen.

Das Problem beginnt, wenn es verdampft. Das ist fast sofort mit flüssigem Wasserstoff. Mit Wasser hat man etwas mehr Zeit, und Natrium würde, wie oben angemerkt, nur im Notfall so heiß werden.

Nun könnte man es unter Druck halten, damit es gar nicht erst verdampft, was wahrscheinlich nur bei Natrium praktikabel ist. Es ist einfacher, ein Kühlmittelsystem zu härten als riesige Treibstofftanks, heißer Wasserstoff neigt dazu, durch Wände zu entweichen, und heißes, überkritisches Wasser ist eine der korrosivsten Substanzen, die es gibt.

Aber wenn Sie es am Verdampfen hindern, können Sie seine latente Verdampfungswärme nicht nutzen. Im Notfall haben Sie vielleicht einfach keine Wahl.

Also fängt es an zu verdampfen. Sein Volumen nimmt massiv zu – beispielsweise nimmt Wasserdampf etwa 1250-mal mehr Volumen ein als flüssiges Wasser. Sie haben einfach nicht die Lautstärke, um es an Bord zu halten.

Sie könnten damit einen Ballon füllen, aber das bedeutet, dass Sie für alle Fälle einen ziemlich massiven Ballon herumschleppen (was sehr schlecht ist - auch hier zählt jedes Gramm), und dieser dünne, ungeschützte Ballon ist ein schönes großes Ziel für den Feind.

Wenn es also so heiß wird, ist es einfach keine Option, es auf dem Schiff zu lassen.

Entlüften - Wasser oder Wasserstoff

Bei Wasser und Wasserstoff ist das eigentlich schon Teil des Designs. Denken Sie daran, dass dies zuerst Ihr Treibmittel und an zweiter Stelle Ihr Kühlkörper sind. Um es zu entlüften, schickst du es zu deinen Triebwerken.

Die thermischen Antriebe, die Sie wahrscheinlich gerade verwenden, funktionieren, indem Sie das Treibmittel so stark wie möglich erhitzen und es dann durch die Düse so weit ausdehnen lassen, wie es möchte. Ein Sonderfall sind heutige chemische Raketenantriebe, bei denen die Wärme durch eine chemische Reaktion zwischen den Treibmitteln entsteht und das Nebenprodukt der Reaktion durch die Düse entweicht. Ihr futuristischer Antrieb ist wahrscheinlich das Erhitzen von inertem Treibmittel durch eine Kernreaktion (nuklear-thermisch) oder mit elektrischer Energie, selbst aus einem Kernkraftwerk (nuklear-elektrisch).

Tatsächlich wird dies bereits heute mit regenerativer Kühlung genutzt: Raketendüsen werden so heiß, dass noch kaltes Treibmittel durch ihre Wände strömt, bevor sie in die Reaktionskammer gelangen, um sie am Schmelzen zu hindern.

Hier ist es dasselbe, außer dass das Treibmittel zuerst durch Ihr Kühlmittelsystem und/oder verschiedene Komponenten fließt.

Also, wie sieht es aus? Ihre Motoren sind gebraucht. Wenn Sie es sich nicht leisten können, die Motoren überhaupt zu verwenden (vielleicht weil dies mehr Wärme hinzufügen würde, als Sie entbehren können), sieht es so aus, als würde kühlerer Wasserdampf / Wasserstoff daraus strömen, was weniger Schub erzeugt. Möglicherweise sehen Sie etwas Weiß in der Wolke, da sich ausdehnender (und damit abkühlender) Wasserdampf in diesem Fall zu Kristallen kondensiert.

Beachten Sie, dass diese Antriebe im Weltraum selbst bei voller Schubkraft ziemlich schwer zu erkennen sind. Die Wolke kann völlig unsichtbar sein, und Sie würden sehen, dass sie nur funktioniert, wenn sich das Schiff bewegt und die innersten Teile der Düse weiß erhitzt werden.

Entlüften - Natrium

Wenn Sie können, versuchen Sie, Natriumdampf durch Ihre Düsen abzulassen, während sie feuern. Dies gibt Ihnen ein wenig zusätzlichen Schub, da die schwereren Atome als Treibmittel verwendet werden, was immer gut zu haben ist. Ich vermute, dies kann Ihre Feder orange färben. Wenn dem so ist, würde dies zu einer großartigen Optik führen, da orangefarbene Federn zeigen, wie verzweifelt das kämpfende Kriegsschiff geworden ist – entweder weil sie überhitzen oder weil sie jedes bisschen zusätzlichen Schub brauchen.

Aber das ist vielleicht keine Option. Schließlich kann Natrium gegen das Düseninnere oder eine Komponente der Kammer kondensieren und alles durcheinander bringen. Sie können etwas verstopfen, die Düsenkühlung stören oder sogar durch Wärmeunterschiede brechen. Oder Ihr Antrieb lässt es einfach nicht zu, zum Beispiel, wenn Sie einen externen Kernimpulsantrieb im Orion-Stil (auch bekannt als Schieben einer Platte mit Atomwaffen) oder andere auf Kerndetonation basierende Systeme verwenden.

Die Kühlmittelkreisläufe Ihres Kriegsschiffs können also Auslassventile haben. Diese werden wahrscheinlich wie winzige Triebwerke aussehen und Türen haben, um sie zu schließen, wenn sie nicht verwendet werden. Bei zu hoher Hitze oder zu hohem Druck im Kreislauf öffnen sie sich und lassen Natriumdampf entweichen.

Sie sind im Wesentlichen thermische Antriebe, genau wie Ihre Hauptantriebe, verwenden jedoch stattdessen Natrium. Da Natrium schwer ist, gibt es guten Schub, aber schlechte Effizienz und kann als solches angesehen werden, soweit es um die Bewegung geht. Sie werden aus Gründen der Schubeffizienz wie Ihre Hauptantriebe geformt, aber das liegt daran, dass die Wolke so wenig wie möglich divergieren soll (was hier dasselbe ist). Schließlich wollen Sie nicht, dass die Wolke den Rumpf Ihres Schiffes trifft und Natrium kondensiert und alles bedeckt.

Aus dem gleichen Grund können sie bei Gebrauch optional ausgefahren werden, sodass der Entlüftungspunkt so weit wie möglich vom Rumpf entfernt ist - aber denken Sie daran, dass es eine starre Stange sein muss anstelle eines einfachen Schlauchs, oder der Schub wird ihn fliegen lassen gegen den Rumpf.

Angesichts der Temperaturen wird es am Austrittspunkt wahrscheinlich orange leuchten, ein bisschen weiter in der Wolke rot werden (bei diesen Temperaturen kühlt es schnell ab) und dann als dünne Wolke aus kondensierten Natriumtröpfchen. Angesichts der Energie wird es sich schnell auflösen und ziemlich sofort verschwinden, sobald es aufhört zu entlüften.

Die Entlüftung selbst wird wahrscheinlich in kurzen Stößen erfolgen, um nur so wenig wie nötig zu verwenden und ein Zündventil so weit wie möglich nicht freizulegen.

Nachtrag: warum thermische Antriebe?

Thermische Antriebe sind viel effizienter als chemische Antriebe (obwohl sie im Allgemeinen weniger Schub liefern), aber ihre Laufleistung ist im Vergleich zu elektrischen Antrieben wie beispielsweise Ionenmotoren ziemlich schrecklich. Warum sollte der Sternenkreuzer stattdessen thermische Antriebe verwenden?

Denn für eine gegebene Energie kann man entweder einen großen Schub (chemische Antriebe), einen großen Wirkungsgrad (elektrische Antriebe) oder ein Gleichgewicht (thermische Antriebe) haben. Und Sie können nur so viel Energie in einem Laufwerk verwenden, bevor es verdampft.

Diese elektrischen Antriebe haben also einen schrecklichen Schub. Was für eine interplanetare Sonde in Ordnung ist, aber Ihr Sternenkreuzer muss wahrscheinlich manövrieren, um beispielsweise feindlichen Projektilen auszuweichen oder Monate oder sogar Jahre damit zu verbringen, aus tiefen Gravitationsschächten herauszukommen.

Der Sternenkreuzer kann auch einen Satz elektrischer Antriebe mit Milligee-Schub für langsame, interplanetare Manöver haben, wenn er Zeit für lang anhaltende Schübe hat und keine riesigen Laser die Hälfte der Leistung des Triebwerks verbrauchen, aber er wird wahrscheinlich im Kampf mit thermischen Antrieben laufen .

Wie man Wärme bewegt: Konvektion, Leitung, Strahlung.

Konvektion; verschwenderisch, weil Sie Gasmasse verlieren. Leitung - es gibt keinen Ort im Raum, an den man leiten könnte. Strahlung - das ist die Option. Und Sie haben Laser!

Konzentriere deine Wärme und nutze sie, um einen Laser anzutreiben. Dann schießen Sie es auch auf Ihr Ziel.

Sie haben süße Laser. Machen Sie einen, der auf Hitze läuft. Die Wärmeenergie verschwindet dann mit der kohärenten elektromagnetischen Strahlung, dem Laser. Dies wurde kürzlich als theoretische Möglichkeit beschrieben.

https://phys.org/news/2012-11-powering-lasers.html

In ihrer kürzlich in Physical Review Letters veröffentlichten Arbeit stellen die beiden Physiker die Theorie auf, dass der Erwärmungseffekt in Quantenkaskadenlasern nicht nur vermieden, sondern durch eine geschickte Veränderung der Dicke der Halbleiterschichten sogar rückgängig gemacht werden könnte. „Ein entscheidender Teil ist die räumliche Trennung der kalten und warmen Bereiche im Laser“, erklärt Kathrin Sandner. „In einem solchen temperaturgradientengesteuerten Laser werden Elektronen im warmen Bereich thermisch angeregt und tunneln dann in den kühleren Bereich, wo Photonen emittiert werden.“ Dadurch entsteht ein Kreislauf, in dem Lichtteilchen emittiert und gleichzeitig Wärme aus dem System aufgenommen wird. „Zwischen den aufeinanderfolgenden Emissionen von Lichtteilchen wird ein Phonon absorbiert und der Laser gekühlt. Wenn wir diese Idee weiterentwickeln,

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