Wie kleide ich mich für eine Wanderung an einem heißen Sommertag auf dem Titan?

Titan hat eine Atmosphäre mit einem Oberflächendruck von etwa 150 kPa. Es hat eine durchschnittliche Oberflächentemperatur von etwa 94 K, etwa -183 °C. An einem schönen, sonnigen, ruhigen Sommertag in der Nähe des Äquators kann es sich fast so angenehm anfühlen wie Bedingung-Eins-Wetter in der Antarktis (weniger als -73 °C und anhaltende Windgeschwindigkeiten von über 30 m/s). Glücklicherweise ist es auf Titan normalerweise ziemlich ruhig , und wer weiß, wie weit die Temperatur in einer Hitzewelle über 100 K steigen kann¹?

Vorausgesetzt, ich bringe viel Sauerstoff zum Atmen mit, wie würde ich mich für eine Wanderung an einem heißen Sommertag in Titan kleiden? Bei einer Oberflächengravitation von nur 1,45 m/s² mache ich mir keine allzu großen Sorgen, einen 50-kg-Rucksack zu tragen (obwohl ich ein ungutes Gefühl habe, ein RTG in meinem Rucksack zu tragen).

¹ Anscheinend, soweit wir wissen, nicht viel :(

@Jack Ich wollte es dort fragen! Aber ich denke, sie werden nicht über das richtige Fachwissen verfügen und sich gegen meinen 50-kg-Rucksack-Vorschlag sträuben, da sie von ultraleichten Leuten infiltriert sind.
ultraleicht? Titan hat laut Wikipedia eine Schwerkraft des Mondes von 0,85.
@J.Doe Ich meine, dass einige der Leute von The Great Outdoors denken, dass jemand, der mit mehr als 8 kg auf dem Rücken wandert, verrückt ist, also müsste ich ihnen erklären, dass 50 kg auf Titan die gleiche Schwerkraft haben wie 7 kg auf der Erde , obwohl es immer noch die gleiche Trägheit hat und immer noch sperrig sein wird, also weiß ich es nicht :) Ich werde es in ihrem Chatroom posten.

Antworten (2)

Die ESA-Sonde Huygens charakterisierte sehr genau die Bedingungen an ihrem Landeplatz auf der Oberfläche von Titan und verifizierte Messungen, die fast 25 Jahre zuvor von Voyager 1 Radio Science (VRS) durchgeführt wurden. Es wurde eine Oberflächentemperatur von 93,8 K (VRS: 94,0 ± 0,7 K), ein Oberflächendruck von 1467 mb (VRS: 1496 ± 20 mb), eine Methanhäufigkeit von 5,65 ± 0,18 Vol.-% in ansonsten fast reinem Stickstoff und in der Nähe gemessen -Bodenwinde im Bereich von 0,5-1 m/s , in guter Übereinstimmung mit detaillierten globalen Zirkulationsmodellen. Die Zusammensetzung, Temperatur und der Druck der Atmosphäre sorgen für eine Massendichte an der Oberfläche, die ungefähr viermal so hoch ist wie die Dichte der Erdatmosphäre auf Meereshöhe.

Auf der Erde erfordert die Planung einer Wanderreise zumindest ein wenig Voraussicht. Wird die Wanderung eine Tageswanderung in der Sahara oder eine Winterwanderung am Südpol oder irgendwo dazwischen? Die große Auswahl an Bedingungen, die auf der Erde möglich sind, hat einen großen Einfluss auf die Art der Ausrüstung, die Sie mitnehmen müssen.

Nicht so bei Titan. In gewisser Weise ist Titan wie die Venus: Seine dichte Atmosphäre ist sehr effizient darin, Wärme von Quellen wie Sonnenenergie über den ganzen Titan zu transportieren. Wie bei der Venus zeigen Orte auf gleicher Höhe überall auf Titan nur sehr geringe Temperaturunterschiede. Der Wikipedia-Artikel über das Klima auf Titan sagt: „Titan ist im Sommer der südlichen Hemisphäre etwa 12 % näher an der Sonne, wodurch die südlichen Sommer kürzer, aber heißer sind als die nördlichen Sommer.“ Heisser?? Alle Beobachtungen deuten darauf hin, dass der größte Temperaturunterschied, der auf Titan gefunden wird, von der subsolaren Breite im Sommer bis zum Winterpol, ~3,5 K beträgt! Ein Anzug reicht also, wohin Sie auf Titan gehen.

Und Anzug wäre es, wie @peterh sagt. Kein vollständiger Raumanzug, da kein erhöhter Druck im Inneren aufrechterhalten werden muss, aber Sie können einfach keinen Teil Ihres Körpers bei 94 K direkt der titanischen Luft aussetzen.

Der Anzug muss auch Atemluft liefern, und hier gibt es eine kleine Wendung. Sie können einfach nicht planen, reinen Sauerstoff mit einem Druck von fast 1,5 bar zu atmen. Neben der extremen Brandgefahr ist es auch gesundheitsgefährdend. Und Sie möchten wahrscheinlich nicht versuchen, den Druck im Anzug bei ~ 1/3 bar zu halten, damit Sie reinen Sauerstoff verwenden können. Das Laufen mit einem solchen Druckunterschied würde den Anzug viel schwerer und steifer machen. Zusätzlich zum Transport von Sauerstoff benötigen Sie also eine Möglichkeit, ein Inertgas bereitzustellen, um den Druckunterschied auszugleichen. Sie können nicht einfach titanische Luft hereinbringen, sie erhitzen und Sauerstoff damit mischen. Es ist nicht so, dass Methan giftig ist, im Gegenteil , es ist in dieser Hinsicht ziemlich harmlos . Es ist so, dass 5+% Methan gemischt mit Sauerstoff ein brennbares Gemisch ist, also wäre es ein Unfall, der nur darauf wartet, passiert zu werden. Wenn Sie titanische Luft als Hintergrundgas verwenden, müssen Sie das meiste Methan daraus entfernen, und das kostet Energie.

Glücklicherweise würde die Entfernung von Methan durch Kondensation eine Abkühlung der titanischen Luft um weniger als 20 K erfordern. Dies ist nicht besonders schwierig und könnte mit einem Peltier-Kühler durchgeführt werden . Das Abkühlen des ausgeatmeten Gases auf ~195 K kondensiert CO2 für die Rückatmung des Rests, insbesondere des Sauerstoffs. Dafür ist kein Kühlmechanismus erforderlich, nur so etwas wie der Kühler eines Autos, um Wärme an die titanische Atmosphäre abzugeben. Dies würde auch Wasser auskondensieren, das Sie in die gereinigte (von CO2) Luft zurückgeben möchten. Zwei unterschiedliche Temperaturen im Scrubber zu haben, ist wahrscheinlich der beste Ansatz, die wärmere, um den größten Teil des Wassers, aber nicht CO2, zu entfernen (für die anschließende Rückführung), die kältere, um CO2 zur Entsorgung zu waschen.

Wenn Sie keine titanische Luft verwenden, müssen Sie Ihr eigenes Hintergrundgas mitbringen, egal ob Stickstoff, Helium oder was auch immer. Es müsste sich nicht in einem separaten Tank befinden, aber der Inhalt eines einzelnen Tanks würde nur ~ 15% Sauerstoff enthalten. Wenn Sie gereinigte titanische Luft verwendet haben, könnte Ihr Tank 100 % Sauerstoff enthalten, was eine längere Dauer ermöglicht, bevor er wieder aufgefüllt werden muss.

Der Anzug muss dich warm halten. Mein Freund und Kollege Julian Nott , der versierte Ballonfahrer, der das Potenzial für Ballonfahrten auf Titan analysiert hat, hat untersucht, wie viel Isolierung erforderlich wäre, um angenehme Temperaturen in einem Anzug nur mit Körperwärme aufrechtzuerhalten. Sein (unveröffentlichtes) Ergebnis: Der Anzug wird ziemlich dick und kann die Bewegung behindern. Sie könnten den Anzug dünner machen, indem Sie eine Anzugheizung verwenden, aber das kostet mehr Energie. Das ist noch ein Kompromiss: Machen Sie den Anzug dicker, um weniger Energie zum Heizen zu verbrauchen, oder dünner mit einer Anzugheizung, um die Mobilität zu erleichtern?

Es gibt noch einen weiteren Gegenstand, den der Anzug benötigt. Unabhängig davon, welche Optionen gewählt werden, wird elektrische Energie benötigt, also wird irgendeine Art von Batterie oder Brennstoffzelle oder irgendeine andere elektrische Energiequelle benötigt. Es wird keine Solaranlage sein! Die Mittagshelligkeit auf Titans Oberfläche beträgt ungefähr 1/1000 des vollen Sonnenlichts auf der Erde. Titans Wolken und Dunst machen das Sonnenlicht diffus, sodass Sie keinen effektiven Konzentrator herstellen können. Soviel zur Solarenergie für relativ stromhungrige Aktivitäten auf Titan! Aber die Batterietechnologie hat sich seit den Apollo-Tagen weit entwickelt, sodass eine relativ leichte Batterie (insbesondere in Titans ~1/7 g!) Genügend Energie für den Anzug liefern könnte.

Keine der hier skizzierten Herausforderungen scheint Show-Stopper zu sein. Die größte Herausforderung besteht darin, Titan überhaupt zu erreichen!

Sobald Sie dort angekommen sind, könnten Sie in dieser niedrigen Schwerkraft und dichten Atmosphäre Ihren Anzug anziehen, einige relativ kleine Flügel an Ihre Arme schnallen, mit den Armen schlagen – und fliegen! (unter Bezugnahme auf das Buch von Robert Zubrin aus dem Jahr 1999) Ich würde jedoch eine Schulung empfehlen, bevor Sie es versuchen.

Ich frage mich, ob ich einen merklichen Unterschied spüren würde, wenn ich in der Sonne oder im Schatten stehe.
Beachten Sie, dass 5 % das untere Ende der Entflammbarkeitsgrenze von Methan ist ( en.wikipedia.org/wiki/Flammability_limit ). 4% Methan brennt nicht (obwohl ich kein Chemiker bin, also zitiere mich nicht dazu :)). Sie müssen nicht das gesamte oder sogar den größten Teil des Methans auswaschen, um das Verbrennungsproblem zu vermeiden.
Die Verfügbarkeit von Methan bietet die Energielösung.
@joojaa Das stöchiometrische Verhältnis für die vollständige Oxidation von Methan (wodurch die gesamte Energie aus der Reaktion gewonnen wird) erfordert, dass Sie für jedes Gramm Methan, das Sie reagieren, die vierfache Sauerstoffmasse bereitstellen müssen, unabhängig davon, ob es sich um eine Verbrennung handelt oder eine Brennstoffzelle – was auch immer. Für einen sehr kurzen Aufenthalt auf Titan ist das Mitschleppen des Sauerstoffs möglicherweise keine allzu große Belastung. Aber für einen längeren Aufenthalt benötigen Sie viel Sauerstoff, und Sie würden wahrscheinlich mit einer nuklearen Stromquelle besser dran sein, um sekundäre (wiederaufladbare) Batterien aufzuladen oder das örtliche Wasser (Eis) für Sauerstoff zu hydrolysieren.
@gerrit Gute Frage! Aber nein, das würden Sie nicht, denn es gibt keine Unterscheidung zwischen "Sonne und Schatten", wie es normalerweise auf der Erde der Fall ist. Die dicken Wolken und der Dunst, der den Titan bedeckt, machen den Himmel so, als wäre er auf der Erde, wenn eine gleichmäßige Stratus-Wolkenschicht darüber liegt: Der Himmel ist im Wesentlichen gleich hell, egal in welche Richtung Sie schauen. Dadurch werden die meisten Schatten ausgelöscht. Aber die effektive thermische Konvektionsrate der Atmosphäre ist so hoch, dass es sowieso keinen großen Temperaturkontrast geben würde.
Die Verwendung von Titans Methan als Teil des Edelgasgemisches hat noch einen weiteren Vorteil: Blähungen im Raumanzug bleiben praktisch unbemerkt. Manche mögen das sogar als Nachteil empfinden.
Dies ist ein bisschen spät, aber mit tiefem Bedauern und großer Trauer muss ich den Tod von Julian Nott, dem Ballonfahrer, den ich in der obigen Antwort erwähnt habe, am 23. März dieses Jahres (2019) durch einen ungewöhnlichen Unfall nach erfolgreicher Demonstration eines neuen melden Art Ballon. Sein Verlust ist ein Schlag für die Welt als Ganzes – er war ein facettenreicher Kerl und es war eine Freude, hier zu sein –, aber besonders für die Welt der Entdecker.

Ein -183 C Stickstoff-Methan-Gemisch macht aus einem zwar keinen Eiswürfel auf der Stelle, verursacht aber trotzdem schnell erfrorene Wunden. Ihre einzige Möglichkeit, dies zu vermeiden, wenn Ihr ganzer Körper geschützt ist, nein c m 2 kann offen bleiben.

Sie benötigen auch eine Sauerstoffversorgung. Hier kommt ein weiteres Problem hinzu: Methan wird mit Sauerstoffzufuhr zu einem explosiven Stoff. Die Methankonzentration auf der Oberfläche des Titans beträgt etwa 5 % ( Ref ), was sicherlich eine starke Brandgefahr darstellt, es könnte sogar eine explosive Mischung sein.

Wenn man sie miteinander kombiniert, wird das Ergebnis nicht allzu weit von einem Raumanzug entfernt sein. Vielleicht besteht der einzige Unterschied darin, dass Raumanzüge Druck standhalten müssen, während dies kein Problem darstellt, da dies durch Überdruck leicht gehandhabt werden kann.

Aber dieser Anzug muss extrem sicher gegen die kleinsten Sauerstofflecks sein. Bei gewöhnlichen Raumanzügen ist ein kleines Leck kein Problem (wenn es bei Bestellungen unterhalb des Sauerstoffverbrauchs des Astronauten liegt).

Das größte Problem ist, dass Ihre ausgeatmete Luft immer noch 10-16 % Sauerstoff enthält, also können Sie sie nicht einfach austreten lassen. Oder Sie riskieren, dass es sich zu Ihren Füßen sammelt (Sauerstoff ist dichter als Methan) und dann explodiert.

Damit

Ps @imsodin sagt in einem ausgezeichneten Kommentar:

Könnte man das [den brennenden Sauerstoff in der Methanatmosphäre] nicht zum Aufheizen nutzen?

Ps2. Der ausgezeichnete Kommentar von @called2voyage:

Sie müssten also auf Titan einen Anzug tragen, aber es wäre eher ein Neoprenanzug und eine Tauchausrüstung als ein EVA-Anzug.

Die Atmosphäre von Titan besteht zu 1,4 % aus Methan. Reicht das aus, um die Mischung aus 10 % Sauerstoff und 1,4 % Methan explosiv zu machen?
Selbst wenn es so ist, verwenden Sie einfach einen Rebreather, wie er beim Tauchen verwendet wird.
@imsodin Richtig! Der Großteil der Titan-Atmosphäre besteht aus Stickstoff und nicht aus Methan. Aber das Wiki sagt , die Methankonzentration in den untersten 8km der Atmosphäre beträgt fast 5%, in der Stratosphäre sind es 1,4%. Selbst wenn es nicht explodiert, kann es sicherlich brennen.
Kleine Sauerstofflecks wären nicht explosiv, besonders wenn es ein bisschen Wind gibt oder sich der Wanderer bewegt, also gibt es keine Ansammlung. Und Sie würden immer noch eine Zündquelle brauchen. Denken Sie zum Beispiel an die kleinen Lecks von Ihrem Propangasbrenner oder Gasgrill. Außerdem wäre eine Rebreather-Einheit, die ausgeatmetes CO2 entfernt, auf Titan ziemlich einfach, da CO2 bei -78,5 ° C ausfriert.
@jamesqf Auch kleine Lecks sind gefährlich, wenn sie sich sammeln können. Beispielsweise neigen Bleibatterien dazu, Wasserstoff auszuatmen, was in geschlossenen Räumen (Verarbeitungswerkstätten, Autoreparaturen usw.) gefährlich ist. Das Sauerstoff-Stickstoff-Gemisch ist dichter als das Methan-Stickstoff-Gemisch der Atmosphäre, daher würde es sich auf der Oberfläche ansammeln, was aus dieser Sicht im Wesentlichen den gesamten Mond zu einem „geschlossenen Ort“ macht.
Sie werden auch deutlich heißer sein als Ihre Umgebung. Muss der Raumanzug bewusst so gestaltet werden, dass das Gelände unter Ihnen nicht schmilzt?
@peterh, die untere Explosionsgrenze für Methan beträgt 4,4%. Fügen Sie der Atmosphäre 10 % Sauerstoff zum Atmen hinzu, und das Methan wird so verdünnt, dass es nicht explodieren kann.
@Mark Hier haben wir kein Methan in Sauerstoff, sondern Sauerstoff in Methan. Es ist das andere Ende des explosiven Bereichs. Verdünnung zählt nicht, der Partialdruck zählt. Und angesammelter Sauerstoff irgendwo auf der Oberfläche kann auch gefährlich sein. Und Feuer kann ohne Explosion auch gefährlich sein.
Frage: Selbst wenn etwas Sauerstoff austritt und sich entzündet, wäre das nicht eine winzige Menge und damit ein vernachlässigbares Feuer, das sofort erlischt? Was würde den Sauerstoff dazu bringen, sich draußen in großer Menge anzusammeln und erst dann mit Methan zu verbrennen / zu explodieren? (Annahme: Der Anzug steht genauso unter Druck wie die Außenseite, daher besteht kein Anreiz für Sauerstoff, durch Lecks herauszuströmen.)
@BlueCoder Sauerstoff ist dichter als Methan und sammelt sich daher durch sein Gewicht an der Oberfläche. Das umgekehrte Problem, da sich Wasserstoff unter dem Dach sammelt, ist ein Problem in Autowerkstätten, die mit Bleibatterien arbeiten.
Danke Peterh, ich sehe jetzt den letzten Teil der Antwort über die Ansammlung von Sauerstoff zu Ihren Füßen :) Nun, wenn sich Sauerstoff zu Ihren Füßen ansammelt, möchten Sie vielleicht absichtlich eine Flamme an Ihren Füßen halten, um sie zu verbrennen, bevor es zu viel wird: D
Sie brauchen einen Anzug, der Sie warm hält. Zum Glück ist das ganz einfach: Tragen Sie das Äquivalent des Liquid Cooling And Ventilation Garment ... bringen Sie Sauerstoff, nehmen Sie dann die titanische Atmosphäre auf und lassen Sie sie in einer Brennstoffzelle reagieren . Presto: Strom für Ihren Reisecomputer an Bord und warmes Wasser, das in Ihrem Titan EVA-Anzug zirkuliert. Was die Brandgefahr angeht ... Sie haben im Grunde die gleichen Probleme wie auf der Erde, wenn es darum geht, brennbare Gase zu bewegen, jetzt behandeln Sie einfach den Sauerstoff als brennbares Gas.
@peterh: Um eine explosive / brennbare Konzentration zu erhalten, benötigen Sie einen geschlossenen Raum, in dem sich das Gas sammeln kann, in dem Sie nicht draußen herumlaufen werden. Andernfalls ist es einfach in kurzer Zeit diffundiert - weshalb Sie keine langfristigen "Sauerstoffpfützen" auf der Oberfläche haben werden, genauso wie wir auf der Erde keine Argonpfützen bekommen.
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Wie kleide ich mich für eine Wanderung an einem heißen Sommertag auf dem Titan?
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