Werden auf dem Mars getragene Anzüge bei jedem Gebrauch Kilogramm „verbrauchbares Wasser“ verlieren?

Da Steve gerade eine Antwort dazu beigetragen hat ... nun, ich auch. Es besteht keine Notwendigkeit, Masse zur Wärmekontrolle zu verbrauchen und auszustoßen. Der Mars ist kalt.

Siehe zum Beispiel diesen Science-Artikel .

Obwohl Windkälte auf dem Mars kein so großes Problem sein wird wie bisher angenommen, wird der Wärmeverlust immer noch eine Herausforderung sein, sagt Osczevski. Beispielsweise würde ein Marsforscher, der Windgeschwindigkeiten von 15 km/h bei –40 °C ausgesetzt ist, nur 60 % so viel Wärme verlieren wie ein Arktisforscher unter den gleichen Bedingungen. Nur 30 % dieses gesamten Wärmeverlusts würden durch die dünne Marsluft (eine Form der Konvektion) weggetragen werden; der größte Teil des Rests würde durch Strahlung verloren gehen. Selbst in einer Umgebung ohne Atmosphäre strahlen heiße Objekte Energie in eine kalte Umgebung ab, sagt Osczevski. Diese relative Verschiebung in der Art des Wärmeverlusts bedeutet, dass Ingenieure Raumanzüge entwickeln müssen, die verhindern, dass Wärme abgestrahlt wird – möglicherweise durch Verwendung von Antireflexbeschichtungen.

Dennoch verlieren auch Menschen in Weltraumanzügen Wärme durch Stiefel und Handschuhe, wenn sie im Schatten stehen oder dort Proben sammeln, bemerkt Osczevski: „Einen Stein aus dem Schatten aufzuheben, ist wie einen Klumpen Trockeneis aufzuheben.“

MSL erzeugt ungefähr zwei Kilowatt Wärmeleistung und pumpt diese um den Rover herum, um die Systeme warm zu halten. Die Kühlplatten des thermischen Systems sind nicht zum Himmel ausgerichtet und es verbraucht keine Masse, um Wärme abzuleiten.

Soweit ich weiß, wurde noch kein Mars-Anzug fertiggestellt. Der Apollo A7L- Anzug ist wirklich schwer (91 kg), was bei der geringeren Schwerkraft des Mondes akzeptabel war. Auf dem Mars würde es ziemlich bald ungemütlich werden, also vermute ich, dass wir neue Anzugdesigns für den Einsatz auf dem Mars sehen werden.

Mars ist eine andere Umgebung als LEO oder der Mond, also muss der Anzug sowieso anders sein:

• es ist viel kälter, also muss weniger gekühlt werden. In LEO oder auf dem Mond schwankt die Temperatur auf der Oberfläche eines Anzugs zwischen +150 und -100 °C. Auf dem Mars ist die Sonneneinstrahlung viel geringer (es kommt weniger Energie herein) und die Atmosphäre (wie dünn sie auch sein mag) stabilisiert die Oberflächentemperaturen etwas. Die Spitzentemperaturen auf dem Mars liegen bei etwa +20 °C, die Tiefsttemperaturen bei etwa -120 °C.
• eine freundlichere Umgebung (weniger Bedarf an Mikrometeoritenschutz)

Nun, wir wissen natürlich nicht, was unsere Ingenieure wählen werden, aber:

Der Mars hat eine Atmosphäre, so dass eine traditionelle Erdkühlung/Erwärmung möglich ist. Denken Sie an einen schicken Kühlkörper, der in Ihrem MarsSuit läuft.

Es erscheint mir plausibel, dass eine CO2-Sublimationsanlage eine Option ist. Vielleicht wird statt Wasser ein Drucktank mit flüssigem CO2 verbraucht.

Der Vorteil wäre, dass ein stationärer Kompressor den CO2-Vorrat aus der Marsatmosphäre im Laufe der Zeit wieder auffüllen könnte.

Nehmen wir die 500W-Zahl von @Uwe aus der Körperwärme und der Funktion des Anzugs. Dies muss auf die eine oder andere Weise aus dem Anzug entfernt werden.

Passive Leitung ist auf dem Mars nicht wirklich eine Option, die Luft ist zu dünn.

Wir könnten Marsluft komprimieren und dann durch einen Wärmetauscher blasen. Angenommen, wir komprimieren x$kg/s$auf einen Druck P$Pa$.

Die zum Komprimieren erforderliche Energie $n$Mol Gas aus dem Volumen$V_1$zu$V_2$ist$W=nRT\ln\left({V2\over V1}\right)$also 1 kg Marsatmosphäre bei 250K auf Druck zu komprimieren$P$ist

Wenn man die 500 J hinzufügt, die jede Sekunde im Anzug produziert werden, und die bekannte spezifische Wärmekapazität von verwendet$CO_2$Wir stellen fest, dass die Energie aus der Kompression plus die Energie aus dem Inneren des Anzugs das Abgas auf eine Temperatur von erhitzen wird$T = 250 + {0.588\over x} + 53.7 \ln\left(P\over 600\right)$. Idealerweise möchten wir, dass diese Temperatur nicht höher ist als die Innentemperatur des Anzugs, sonst müssen wir Wärme herumpumpen und noch mehr Energie verbrauchen. Angenommen, das Innere des Anzugs ist ein gemütliches 310K. Wir enden mit

Dies gibt uns eine harte Obergrenze für$P$. Wenn$P$zu groß ist, wird der Term in der linken Klammer negativ und die Gleichung hat keine Lösung. Mit anderen Worten, wir können das Gas nicht über einen bestimmten Punkt hinaus komprimieren, oder es wird heißer als das, was wir zu kühlen versuchen. Dieser Punkt tritt auf, wenn$P/600$ist ungefähr 3, also ist unsere Grenze ungefähr$2000 Pa$(0,02 atm) und wenn wir uns dem nähern, geht die Gasmasse, die wir pro Sekunde benötigen, ins Unendliche. Damit dies funktioniert, benötigen wir einen Wärmetauscher, der 500 W Wärme abgeben kann$CO_2$bei einem Druck von 0,02 atm und nicht sehr viel kühler als der Wärmetauscher. Dies scheint ein klarer Nichtstarter zu sein.

Unsere nächste Option ist, die Wärme abzustrahlen. Wir könnten uns eine Art "Regenschirm" über dem Anzug vorstellen, der gesteuert wird, um die Wärme von der Sonne weg in den Himmel zu strahlen. bei 310K ist die Strahlung wieder ungefähr$500 W/m^2$, das ist also viel vielversprechender. Jede Farbe würde ungefähr 1 benötigen$m^2$Kühlerverkleidung zeigte auf dunklen Himmel. Ineffizienz würde das wahrscheinlich etwas nach oben treiben, was mühsam werden würde, aber die Tatsache, dass die Strahlung zunimmt$T^4$bedeutet, dass ein bisschen Wärmepumpen, also der Kühler bei vielleicht 400 K, es Ihnen ermöglichen würde, ihn ziemlich zu schrumpfen.

Jede andere Lösung läuft im Grunde darauf hinaus, etwas aufzuheizen (oder es vielleicht einer Art Phasenwechsel zu unterziehen) und es entweder sofort (wie bei den ursprünglichen Apollo-Sublimationskühlern) oder später (wie bei den verschiedenen Eisbeuteln) aus dem Anzug zu entfernen Lösungen). Das Problem besteht darin, ein System zu finden, das genug Energie pro Kilogramm speichert. Verdampfendes Wasser bringt Ihnen etwa 2 MJ/kg. Das Verdampfen von CO2 bringt Ihnen vielleicht 400 kJ/kg, ungefähr so ​​viel wie schmelzendes Eis. Nichts davon ist besonders attraktiv, um den ganzen Tag auf dem Mars zu arbeiten.

UPDATE: „Eisbatterien“ beginnen bereits mit der Kommerzialisierung, derzeit als größere Geräte für Häuser oder Gebäude. Mit der hier gesammelten Erfahrung kann eine miniaturisierte Version leicht zu entwickeln sein. Es mag für den persönlichen Gebrauch auf der Erde nicht kosteneffektiv sein, aber wenn man bedenkt, dass der Preis für "entbehrliches Wasser" auf dem Mars am Anfang "astronomisch" sein mag, scheint dies mehr und mehr die beste Lösung zu sein.

Auch andere Arbeitsstoffe wie Salzwasser oder Ethylenglykolmischungen werden erforscht.

Ars Technica: Kalifornischer Versorger ergänzt 1.800 Klimaanlagen mit „Eisbatterie“

Green Tech Media: Axiom Exergy bringt seine Kältebatterien in 3 Jahren auf den Markt

tl;dr Möglicherweise nicht, zumindest nicht am Anfang. Eine mögliche Alternative zum Wasserverlust durch Sublimation wären austauschbare Eisbeutel (einmal pro Stunde oder länger), die auf natürliche Weise an der Oberfläche wieder gefrieren. Später, nachdem die Gewinnung von Wasser aus geologischen unterirdischen Quellen im Gange ist, kann der Verlust von einigen Kilogramm pro 8-stündigem Weltraumspaziergang akzeptabel sein.

Laut anderen Kommentaren "Klimaanlagen" bzw$\text{CO}_2$Sublimatoren sind wahrscheinlich thermodynamisch nicht sehr praktikabel.

Die Apollo-Astronauten hatten relativ kurze Missionen, und daher konnten die 10 Pfund "verbrauchbares Wasser" zum Kühlen ihrer Anzüge durch Sublimation in den Weltraum pro EVA untergebracht werden.

Auf der ISS sind EVAs selten, da sich die meisten lustigen Dinge entweder im Inneren befinden oder von außen robotergesteuert zugänglich sind.

Eine bemannte Mission zum Mars ist jedoch eine andere Sache. Vermutlich würden sie nicht dorthin geschickt, um sechs Monate lang in einem "Hab" zu sitzen und draußen ferngesteuerte Roboter zu fahren. Der Begriff "verbrauchbares Wasser" klingt viel schmerzhafter, wenn man bedenkt, dass es von der Erde verschifft oder mühsam aus dem unterirdischen Boden oder möglicherweise den winzigen Spuren in der Atmosphäre (?) extrahiert werden müsste.

Während die Sublimationsenthalpie von Wasser etwa 51 kJ / Mol beträgt, ist die Fusionsenthalpie ( Gefrieren ) fast zehnmal niedriger, etwa 6,0 kJ / Mol . morgens gut gefroren sein und auch deutlich unter 0 °C. Wenn sie morgens -20 °C erreichen, nehmen Sie zusätzlich 1,5 kJ / Mol zu.

7,5 kJ / Mol ergibt etwa 1800 BTU Kühlung für 10 Pfund gebundenes, rückgewinnbares Wasser. Etwa einmal pro Stunde, manchmal länger, tauschen Sie also einfach Ihren Eisbeutel gegen einen anderen aus, der über Nacht draußen gestanden hat.

Diese Eisbeutel könnten einige einfache Isolierklappen haben, die sich nachts passiv öffnen, damit sie in den Weltraum strahlen können, und sich schließen, wenn sie vom Sonnenlicht erwärmt werden, damit sie bis zum Ende des Tages kalt bleiben.

Eine Packung könnte 30 x 30 x 5 cm (etwa zehn Pfund) groß sein und etwa 250 W abstrahlen, wenn sie mit einem Emissionsgrad von sagen wir in den Weltraum gerichtet ist$\epsilon$= 0,8, also in wenigen Stunden "kalt" "aufgeladen" und wieder fahrbereit.

Wenn Ihnen in einer ungewöhnlichen Situation die Eispackungen auf der Oberfläche (oder an der Außenseite Ihres Fahrzeugs) ausgehen, können Sie in den sauren Apfel beißen und es durchstechen und das flüssige Wasser sublimieren, wie sie es in den "Apollo-Tagen" taten.

Das wären High-Tech-Kühlakkus, die Wärme mit dem Anzug und mit dem Raum austauschen und sich dann tagsüber neu isolieren könnten, aber ich kann mir keinen grundlegenden Grund vorstellen, warum dies nicht funktionieren würde.