Wie schnell kann Wärme von einer kleinen Quelle abgeführt werden?

Stellen wir uns vor, dass der heißeste Teil des Apparats sozusagen der Lauf ist, der in seiner Länge zylindrisch ist$l$, Radius$r$und Temperatur$T_b$. Wir können es mit einer Temperaturflüssigkeit umgeben$T_f$. Jetzt hat das Fass einen Wärmedurchgangskoeffizienten von$h$. Die Änderung der Wärmeenergie des Fasses im Laufe der Zeit,$\dot{Q}$, ist

• Ein größerer Wärmeübergangskoeffizient führt zu einer schnelleren Abkühlung.
• Eine größere Fläche, über die die Wärme übertragen wird, führt zu einer schnelleren Abkühlung.
• Eine größere Temperaturdifferenz führt zu einer schnelleren Abkühlung.

$h$hängt stark von den Eigenschaften der Materialien ab, die hart sein können. Wir können jedoch einige Schätzungen für die anderen Mengen vornehmen.

• Die Quelle ist tragbar (was ich implizieren möchte, dass sie beispielsweise in einen großen Van passen könnte), also werde ich das schätzen$l=3\text{ m}$und$r=0.05\text{ m}$(vielleicht ist letzteres etwas groß). Dies führt zu$A=0.942\text{ m}^2$.
• Seien wir sehr großzügig und sagen, dass der Laser Temperaturen von etwa erreicht$T_b=1,000\text{ K}$. Das dehnt es wirklich aus. Jedenfalls, auch wenn$T_f$liegt in der Nähe$0\text{ K}$, der Unterschied$\Delta T$kann nicht größer sein als$1,000\text{ K}$. Lassen Sie daher$\Delta T\sim1,000\text{ K}$.

Die besten Übertragungskoeffizienten, die ich finden kann, sind tatsächlich Wasser-zu-Wasser. Luft-zu-Dampf kann jedoch ein ergeben$h=17\text{ W m}^{-2}\text{ K}^{-1}$durch Kupfer (das einen Schmelzpunkt hat, der höher ist als die hier beteiligten Temperaturen). Wir haben daher

Soweit ich weiß, geht der Rekord für wassergekühlte Kühlkörper an ... eigentlich mehrere verschiedene Designs (Suche "Kühlkörperwasser MW / m2"), es gibt mehrere Papiere über Kühlkörper, die 20+ Megawatt / m2 verarbeiten können (das ist die Oberfläche des Sonnenstand). Ich erinnere mich, dass ich ein Design gesehen habe, das 40 MW/m2 erreichen kann, im Grunde eine Wolfram- oder Molybdänplatte mit einem engen Bündel von Überschallwasserstrahlen, die darauf gestrahlt werden (der Trick besteht darin, das Wasser schnell genug und mit genug Kraft zu bewegen, damit es nicht kocht) .

Ihr eigentliches Problem ist jedoch die Wärmeleitfähigkeit des Geräts selbst. Diamant ist der beste bestätigte Wärmeleiter bei ~ 2000 W / m * K oder 2 kW / m2 Wärme in einem 1 m langen Block würde zu 1 K (1 ° C) führen. Temperaturunterschied. Die Lösung? Machen Sie den Laser sehr flach und lang, dünn und mit einer großen Oberfläche, um eine wirklich gute Kühlung zu erzielen.

Aber der wahre Rekordhalter für den leistungsstärksten Kühlkörper aller Zeiten geht an die Vorkühlerstufe des SABRE-Hybridraketentriebwerks, wo behauptet wird: „Das experimentelle Gerät erreichte einen Wärmeaustausch von fast 1 GW/m3“, aber da es flüssigen Wasserstoff verwendete, konnte man feuern Schalten Sie Ihr Multi-Gigawatt-Lasergerät so lange aus, wie Ihr Vorrat an flüssigem Wasserstoff reicht, dann müssten Sie warten, während Sie weiter kondensieren.

Die wirkliche Grenze wird natürlich die Geräteeffizienz sein. Wenn Ihr Gerät zu 90 % effizient ist (und einige Lampen in Laborqualität kommen dem jetzt ziemlich nahe), können Sie kontinuierlich ~ 10 GW pro m3 Gerät abpumpen, bis Ihnen das Kühlmittel ausgeht.

Nebenbei bemerkt, ich erinnere mich, dass ich ein Papier über einen Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Kondensator mit einer Leistungsdichte von ein paar Megawatt / Liter (oder ein paar GW / m3) gesehen habe, aber ich kann die Seite anscheinend nicht finden. (Aluminiumfolienkappen können noch mehr Leistung erzeugen, aber ihre Energiedichte ist im Vergleich schrecklich, um mehrere Größenordnungen)

Die Obergrenze für die aktuelle Technologie sowohl bei Kühlkörpern als auch bei Stromquellen scheint also um die Gigawatt/m3-Marke zu liegen. Lösung? Tauschen Sie Ihren Transporter gegen ein großes Rig, einen 40-Fuß-Container für den Laser, weitere 40 Fuß für die Kühlung und einen letzten 40 Fuß für die Stromversorgung aus, und Sie haben wahrscheinlich ein Gerät der Terawatt-Klasse, das für einen nennenswerten Bruchteil von laufen könnte eine zweite (und auch ein großer Straßenzug)

Vermeiden Sie eine übermäßige Erwärmung der Waffe

Das ist irgendwie nicht das, was Sie fragen, aber es ist ein Weg, um zu vermeiden, dass Sie Ihre Waffe abkühlen müssen - nämlich die Waffe überhaupt nicht überhitzen. Eine Möglichkeit, dies zu erreichen, besteht darin, Ihre Energieprojektionsquellen so weit voneinander zu trennen, dass jeder einzelne Emitter leicht gekühlt werden kann. Lassen Sie dann jeden der Strahlen am Ziel treffen und sich mit konstruktiver Interferenz zu einem Strahl vereinen.

Wenn Sie möchten, können Sie Bounce-Stationen/Fahrzeuge einbauen, sodass Ihre Strahlen von vielen verschiedenen Orten erzeugt und mit mobilen Flugzeugen, Satelliten, Bodenfahrzeugen usw. entsprechend zum Konvergenzpunkt reflektiert werden können.

Wenn Sie diese Idee weit genug ausführen, können Sie riesige Kraftwerke auf der ganzen Welt oder in Sonnensystemen stationieren, entweder mobil oder nicht, und ein Netzwerk von Bounce-Stationen haben, die in der Lage sind, die Strahlen so aufzuteilen, dass bestimmte Prozentsätze gleichzeitig an viele gesendet werden können Empfänger, dh viele Handfeuerwaffen, mobile Fahrzeuge, Luftschiffe, Zerstörer, Nanodrohnen usw. gleichzeitig antreiben.

Wir müssen hier das Newtonsche Abkühlungsgesetz berücksichtigen, das besagt, dass die Wärmeverlustrate eines Körpers proportional zur Temperaturdifferenz zwischen dem Körper und seiner Umgebung ist. Damit kommt es einer Aussage gleich, dass der Wärmeübergangskoeffizient, der zwischen Wärmeverlusten und Temperaturunterschieden vermittelt, eine Konstante ist. Wir können etwas Kaltes wie flüssigen Stickstoff nehmen und Ihrer Waffe ein Flüssigkeitskühlsystem geben, aber es funktioniert nur gut, wenn Ihre Waffe nicht durch ihre eigene Hitze auseinanderfällt.

Das Handwinken des energieerzeugenden Teils macht diese Frage nicht sehr effektiv.

Effizienz ist von größter Bedeutung. Bei optimalem Prozess wird die Energie zu 100 % in den Laserstrahl umgewandelt. Dann hast du kein Wärmeübertragungsproblem. Die effizientesten Laser können heute etwa 70 % der Elektrizität in Licht umwandeln.

Für jede erzeugte Wärmemenge kann man einen Wärmetauscher bauen, der groß genug ist, um genug Oberfläche zu haben, mit Millionen von Kühlrippen, bei einem kleinen Temperaturunterschied, um die gesamte Wärme abzuleiten.

Daher kann ich sagen, dass es aufgrund der bereitgestellten Einschränkungen keine Begrenzung gibt.

In der Praxis gibt es immer Einschränkungen wie Größe, Gewicht, Kosten usw. Daher liegen in der realen Welt die wirklichen Antworten auf echte Probleme darin, alle Einschränkungen auszugleichen.