Was würde die Innentemperatur einer großen Raumstation bestimmen?

Wie bei jedem Satelliten liegt das Problem eher in der Überhitzung als im Einfrieren. Ein schwarzer Körper nimmt viel Wärme auf, strahlt aber auch viel ab. Andere Materialien, wie Sonnenkollektoren, strahlen viel weniger.

Dieses Phänomen wird Graukörperstrahlung genannt, und ich habe es hier erklärt:

Warum wird Gold in der Weltraumtechnik zum Schutz vor Wärmestrahlung eingesetzt?

Um die Station auf erträglichen Temperaturen zu halten, muss das Äußere strahlende Oberflächen wie die der ISS verwenden. Diese können je nach aktuellem Kühlbedarf zur Sonne oder senkrecht zu ihren Strahlen gerichtet sein.

Wie bei jeder Technologie gilt: Je einfacher, desto besser. Wenn möglich, würde man bei solchen passiven Methoden bleiben. Wenn nicht, gibt es auch Mittel wie Kühlmittelkreisläufe, die einem Konstrukteur viel mehr Kontrolle über die Temperaturen in verschiedenen Teilen der Station geben würden. Es fügt jedoch auch viele Komponenten hinzu, die möglicherweise ausfallen, was Sie vermeiden möchten.

Bearbeiten: In Ihrem Kommentar haben Sie hinzugefügt, dass die Station 50/50 "Glas" und "Metall" sein würde, und nach einer Gleichgewichtstemperatur "irgendwo außerhalb der Umlaufbahn der Venus" gefragt.

All dies sind problematische Definitionen. Aber selbst wenn sie es nicht wären, so funktioniert das Design von Raumfahrzeugen nicht. Sie wählen nicht ein paar Materialien aus und sehen, welche Temperatur herauskommt, und erklären das Raumschiff für unmöglich, wenn es nicht Ihren Erwartungen entspricht.

Sie entscheiden sich für eine Temperatur und wählen dann die Materialien entsprechend aus. Irgendwo um die Erdumlaufbahn herum stehen Ihnen 1370 W/m² Wärmeenergie zur Verfügung. Damit können Sie je nach Wärmemanagement jede Temperatur von eiskalt bis sengend heiß erzeugen.

Schwarzkörperstrahlung kann bei der Modellierung nicht verwendet werden, da die Station nicht im thermischen Gleichgewicht sein wird. Etwas dieser Größe wird eine komplexe Wärmedynamik in sich haben. Was gilt, ist die Nichtgleichgewichtsthermodynamik , die so chaotisch ist, dass viele natürliche Systeme immer noch außerhalb unserer Analysefähigkeit liegen. Glücklicherweise schweben Raumstationen weit entfernt von anderen Objekten in einem Vakuum und erhalten daher Wärme nur als Strahlung aus einer Richtung - der Sonne - und verlieren sie nicht durch Leitung oder Konvektion.

Wenn die Sonnenstrahlung auf der Oberfläche der Station sofort gleichmäßig über ihre gesamte Masse als Wärme verteilt würde, würden Schwarzkörperberechnungen gelten. Aber das wird nicht passieren. Die darauf einfallende Strahlung wird teilweise als Wärme absorbiert, und diese Wärme wird langsam durch die Materialien der Station geleitet, je nach den beteiligten Materialien mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten, und sobald sie auf ein Gas oder eine Flüssigkeit trifft, auch durch Konvektion. Gleichzeitig wird auch Wärme von der Oberfläche der Station abgestrahlt. Das Entscheidende dabei ist, dass Leitung und Konvektion im Vergleich zur Strahlung im Schneckentempo ablaufen. Der engste Vergleich zwischen der Strahlungsgeschwindigkeit (Lichtgeschwindigkeit) und der Leitungsgeschwindigkeit ist die Wärmeleitfähigkeit , die in m ^{2 gemessen wird}/s. Die schnellste Rate für ein natürliches Material ist die von Graphit (oder einem seiner Kohlenstoffgitterverwandten wie Diamant oder Graphen) mit einer Rate von 1,22 × 10 ^–3 m ² /s.

Lassen wir die Konvektion beiseite und betrachten nur die Leitung, da die meiste Masse fest ist und es einfacher ist, darüber nachzudenken. Stellen wir uns die oben abgebildete zylindrische Raumstation mit ihrer Längsachse im rechten Winkel zur Sonne vor. Die Leitung erfolgt in allen Richtungen durch ein Material, und ihre Geschwindigkeit nimmt mit dem Temperaturunterschied über eine bestimmte Entfernung zu. In der Nähe der Oberfläche der Stationsseite in der Sonne strömt die Wärme also schneller nach innen und außen als einen Meter von der Oberfläche entfernt. Aber im gesamten Volumen strömt die Hälfte aller Wärme in einer Nettorichtung zur sonnenzugewandten Oberfläche und die andere Hälfte in einer Nettorichtung nach innen, von ihr weg. Von der Hälfte, die sich zur Oberfläche bewegt, dauert es umso länger, je weiter sie von dieser Oberfläche entfernt ist, um dorthin zu gelangen.

Auf der anderen Seite der Station, außerhalb der Sonne, kommt Wärme durch Leitung an und wird abgestrahlt, aber da die Rate, mit der sie durch Leitung ankommt, langsam ist, ist die Strahlung langsam. Wenn es Wärme so schnell abführen würde, wie die Sonne auf der anderen Seite Wärme liefert, müsste es im Infrarotspektrum über seinen gesamten Strahlungsbereich so hell sein, wie die Sonne in dieser Entfernung über seinem Bereich ist. Es wird nicht sein. In der Tat, wenn es abkühlt, weil es Wärme abstrahlt, wird es Wärme langsamer abstrahlen als zu dem Zeitpunkt, als es sich zum ersten Mal aus den Sonnenstrahlen herausdrehte. Der Wärmegradient über das Volumen des dortigen Materials nimmt ab, wenn es abkühlt, und die Wärme wird daher langsamer durch es geleitet.

Betrachten Sie ein Beispiel, um ein Gefühl dafür zu bekommen, wie viel Unterschied dies macht. Die Wärme, die aus dem Erdinneren an die Erdoberfläche geleitet und konvektiert wird, setzt sich teilweise noch aus der Wärme zusammen, die bei ihrer Entstehung vor 4,5 Milliarden Jahren entstanden ist.

Um Ihre Berechnung zu vereinfachen, können Sie die gesamte undurchsichtige Masse Ihrer hypothetischen Raumstation als ein Material betrachten, beispielsweise Material eines steinernen Asteroiden. Es kann einige Mühe erfordern, aber Sie können wahrscheinlich die Zahlen für die Wärmeleitfähigkeit und die spezifische Wärmekapazität eines solchen Materials finden. Diese Eigenschaften benötigen Sie auch für Glas.

Sie müssen wissen, wie viel davon in Masse und Volumen im Durchschnitt auf der der Sonne zugewandten Seite ist. Im Grunde ist es eine Röhre, deren Oberfläche zur Hälfte von Glas und zur Hälfte von Steinmaterial eingenommen wird, so dass im Durchschnitt die Hälfte der der Sonne zugewandten Seite aus dem einen Material besteht und die andere Hälfte aus dem anderen. Stellen Sie sich also vor, wie viel Volumen, Oberfläche und Masse ein Viertelrohr aus jedem Material mit der Länge, dem Bogen und der Dicke haben würde, die Sie sich vorstellen.

Dann müssen Sie berücksichtigen, wie viel des einfallenden Lichts auf der sonnenzugewandten Seite der Station als Wärme absorbiert wird, also müssen Sie die Albedo des steinigen Materials und das Reflexionsvermögen des Glases kennen. Und mit der im Beispielbild gezeigten Konfiguration wird etwas Licht in die Station eintreten und die Luft und die undurchsichtigen festen Massen erwärmen, auf die es fällt, und etwas wird direkt durch das Glas auf der anderen Seite gehen, also gibt es eine weitere Verwirrung Faktor.

Aus diesem Grund werden bei komplexen Konstruktionen maßstabsgetreue Modelle und Prototypen hergestellt und getestet. Es würde ziemlich viel Arbeit erfordern, ein kleines Modell einer solchen Station richtig zu testen, um ihre thermischen Eigenschaften ungefähr zu bestimmen, und das Ergebnis wäre von begrenztem Nutzen. Meine Vermutung ist, wenn eine große Raumstation im Bau wäre, würden die Bauherren einfach mehr Strahlungskühlkapazität einsetzen, als sie dachten, dass sie jemals brauchen würden, und sie dann einsetzen, wie es am besten funktioniert, um die gewünschte Temperatur zu erreichen.

Unter der Annahme, dass die Längsachse der Station senkrecht zur Sonne steht, nehmen Sie die Fläche ihres Querschnitts und multiplizieren Sie diese mit W/m² Sonnenenergie in der Entfernung ihrer Umlaufbahn. Vermutlich ist dies in der Nähe der Erdumlaufbahn, also wären es etwa 1370 W/m². Wenden Sie dann die Hälfte dieser Energie auf das steinige Material an. Das Glas ist problematisch, da das Licht auf all die verschiedenen Stellen trifft, an denen es auftrifft. Sie müssen den Prozentsatz schätzen, der absorbiert wird. Es wird zu einem großen Fudge-Faktor. Aber wirklich, das Ergebnis all dieser Berechnungen ist etwas, das Ingenieure verwenden könnten, um einige Parameter für funktionierende Konstruktionen festzulegen, und kann in diesem Sinne genommen werden. Wenn Sie die thermischen Eigenschaften der Materialien kennen, die Sie bestimmen könnenwie viel der einfallenden Strahlung in einer bestimmten Zeiteinheit als Wärme absorbiert wird und wie stark sich dadurch die Temperatur der Masse insgesamt ändert. Sie müssen die Temperatur an der Außenfläche des Materials kennen, wenn es in den Schatten eintritt , und wie der Gradient über die Dicke des Materials sein wird, der der Unterschied zwischen der Temperatur im Inneren der Station ist (stellen Sie eine angenehme Wohntemperatur ein). ) und die Außentemperatur nach der Zeit in der Sonne. Damit können Sie berechnen, wie schnell es Wärme verliert. Aber verglichen mit der Rate, mit der sie Wärme absorbiert, wird dies langsam genug sein, dass es kein großer Faktor ist - bis die Station heiß genug wird, gleichen sich die beiden Strahlungsfiguren bei einer Temperatur aus, die viel zu heiß für das Leben ist.

Jetzt können Sie überlegen, wie viel zusätzliche Wärmeabstrahlungskapazität benötigt wird, um die Station auf einer angenehmen Temperatur zu halten.