Welche Flüssigkeiten halten im Weltraum am längsten?

Obwohl irgendwo eine Tabelle namens "praktische Weltraumflüssigkeiten" existiert, ist sie möglicherweise nicht zuverlässig. Ich denke, viele von Ihnen müssen Ihren Weg dorthin booten, indem Sie zuerst Ihren eigenen Tisch erstellen.

Die drei Hauptüberlegungen hier in Abhängigkeit von Temperatur und Druck:

• wird es kochen?
• wird es einfrieren?
• verdunstet es zu schnell?

(klingt irgendwie wie der Anfang eines Songs)

Druck:

Wir können einige komplizierte Feinheiten ignorieren, indem wir annehmen, dass der Gesamt- und der Partialdruck außerhalb der Flüssigkeit nahe genug bei Null liegen, um sie Null zu nennen.

Temperatur:

In dieser Antwort über das Kochen von Hotdogs im Weltraum habe ich gesagt:

In dieser Antwort erkläre ich die Gleichung für eine Schätzung der Gleichgewichtstemperatur eines schwarzen Körpers, der durch sichtbares Licht erhitzt wird und in Infrarotlicht strahlt.

$$T \sim \left( \frac{(1-a_{vis})}{e_{ir}} \frac{I_{Sun}}{4 \sigma} \right)^{1/4}$$

Wo$a_{vis}$ist die Albedo des sichtbaren Lichts,$e_{ir}$ist der Infrarotemissionsgrad (beide sollten eigentlich gewichtete Mittelwerte über die entsprechenden Wellenlängenbereiche sein),$\sigma$ist die Stefan-Boltzmann-Konstante (etwa 5,67E-08 W m^-2 K^-4), und I ist die Intensität des Sonnenlichts, und für 1AU ist die Sonnenkonstante und etwa 1360 W/m^2.

Sie müssen Ihren flüssigen Erdsatelliten behandeln, als wäre er ein

Kugelförmige Kuh im Orbit:

Die meisten nichtmetallischen Dinge haben ein hohes Infrarotemissionsvermögen, aber Metalle, einschließlich Eutektika, können ebenfalls sehr niedrig sein. Materialien variieren auch stark in der Albedo des sichtbaren Lichts. Für Bereiche von 0,1 bis 0,9 reicht die Gleichgewichtstemperatur bei 1 AE von der Sonne von etwa -100 C bis +200 C:

emissivity (IR)  albedo (vis)  Equilib. T (K) / (C)
---------------  -----------   ---------------------
    0.1            0.1                    482 /  208
    0.1            0.9                    278 /   +5
    0.9            0.1                    278 /   +5
    0.9            0.9                    160 / -112

Daher müssen Sie die optischen Eigenschaften des Materials sorgfältig prüfen und dann auch eventuelle Verunreinigungen einbeziehen.

Einfrieren & Kochen:

Nachdem Sie die Gleichgewichtstemperatur berücksichtigt haben, müssen Sie sich die Gefrier- und Siedepunkte jedes Materials ansehen, das Sie in Betracht ziehen, um sicherzustellen, dass es nicht gefriert (daher für Ihre Frage ungeeignet) oder schnell verkocht.

Verdunstung:

Sobald Sie einen Kandidaten haben, sehen Sie sich die Verdunstungsrate an . Flüssigkeiten mit einer hohen Verdunstungsrate verschwinden schneller als solche, die langsam verdunsten. Ihr Problem ist, dass die Verdampfung sowohl durch thermische Bewegung in der Flüssigkeit als auch durch einfallenden Photonenfluss verursacht wird, und davon haben Sie eine Menge! Die gleichen Photonen des Sonnenlichts, die Ihre Flüssigkeit vor dem Gefrieren bewahren, können auch die Verdunstung anregen, selbst wenn die Flüssigkeit ziemlich transparent wie Wasser ist. Die Wasserverdunstungsrate wird stark durch den Photonenfluss des sichtbaren Lichts beeinflusst, der über seinen Einfluss auf die Wassertemperatur hinausgeht.

Sie können sich eine Vorstellung von der Verdunstungsrate im Dunkeln machen, indem Sie den Dampfdruck nachschlagen

Der Gleichgewichtsdampfdruck ist ein Hinweis auf die Verdunstungsrate einer Flüssigkeit

aber es ist kein Ersatz dafür, die Verdunstungsrate im Dunkeln zu kennen und dazu die photoneninduzierte Verdunstungsrate hinzuzufügen.

Viel Glück!

Versuchen Sie es mit reinem Wasser und mit Gallium oder einem Eutektikum und sehen Sie, was passiert!

Nur um etwas Bestimmtes in einer Antwort vorzuschlagen:

Ich würde zuerst auf Gallinstan tippen (nach Masse: 68,5 % Ga, 21,5 % In, 10,0 % Sn), zumindest wenn wir von Anwendungen nahe Raumtemperatur sprechen: Angeblich schmilzt es bei -19 ° C und hat ungefähr ein μPa oder weniger Dampfdruck bei 500°C. (Dies ist viel niedriger als Hg, aber ich weiß nicht, ob es niedriger als reines Gallium ist, da die niedrigste Temperaturzahl, die ich dafür gefunden habe, 1,588 × 10 ^ -6 atm bei 1230 K beträgt, siehe Dampfdrücke anorganischer Substanzen. IX Gallium .) Sein Siedepunkt liegt angeblich über 1300°C (Ga siedet bei 2400°C, In bei 2072°C, Sn bei 2602°C). Einige andere Flüssigmetalle könnten ebenfalls geeignet sein.

• Wikipedia: Galinstan
• Chemielerner: Galinstan

Auch rein ionische Flüssigkeiten sind eine gute Idee (es gibt solche mit niedrigeren Schmelzpunkten als Wasser). Eine Art ionische Flüssigkeit (oder vielleicht nur ionische Flüssigkeiten im Allgemeinen), die mit Silber beschichtet ist (fragen Sie mich nicht wie), wurde für die Verwendung auf der Mondoberfläche vorgeschlagen, siehe unten. (Es ist jedoch möglich, dass sie die ionische Flüssigkeit einfrieren wollten, bevor sie Silber darauf ablagerten, da es mir so vorkommt, als könnte dies für ihre Anwendung funktionieren. Ich habe die Zeitung jedoch nicht gelesen.)

• Borra et al. 2007 Abscheidung von Metallfilmen auf einer ionischen Flüssigkeit als Basis für ein Mondteleskop
• Wikipedia: Ionische Flüssigkeit
• diese Antwort auf Warum können wir nicht ein riesiges stationäres optisches Teleskop in einer Vertiefung ähnlich dem FAST bauen?

Etwas anderes, worüber ich mich wundere, ist Lava. Es wird angenommen, dass viele Asteroiden, die zu klein sind, um viel Atmosphäre zu halten, einst geschmolzen waren, und große Gebiete des Erdmonds gelten als Überschwemmungsgebiete von Lava. Ich weiß nicht, ob der Dampfdruck von Lava niedrig sein kann (natürlich abhängig von der genauen Zusammensetzung) oder ob nur die Oberfläche gefroren ist, um das Innere zu schützen, und / oder dass viel davon verdunstet ist und dann in den Weltraum entweicht oder sich an anderer Stelle ablagert der Planet, aber es gab so viel, dass noch viel übrig war. Wenn Sie bedenken, dass die Verdunstung nur an der Oberfläche eines Körpers stattfindet, können Sie sehen, wie ein Quadratwürfelgesetz ins Spiel kommen könnte, bei dem größere Volumina länger halten, zumindest wenn die Volumenzunahme nicht nur eine flache Ebene von ist größere Fläche und gleiche Dicke. Es' Es stimmt auch, dass das Gestein möglicherweise nicht sehr lange flüssig gewesen sein musste, um die Merkmale zu erklären, die wir sehen. Trotzdem etwas, um die von @uhoh vorgeschlagenen Analysen durchzusetzen.

Ich bin mir nicht ganz sicher, wie man Dampfdrücke von Silikatschmelzen findet, aber ich weiß, dass verschiedene Elemente mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten verdampfen. Sossi & Fegley 2018 ( Thermodynamics of Element Volatility and its Application to Planetary Processes ) geht sehr detailliert darauf ein, wie verschiedene Elemente aus geschmolzenem Gestein verdampfen, und erwähnt Zusammenstellungen thermodynamischer Daten namens JANAF und IVTAN. Lock, et al. 2018 ( The Origin of the Moon Within a Terrestrial Synestia ), das einige Grafiken enthält, die informativ sein könnten, verwendete Daten von JANAF und auch den GRAINS-Code von Petaev 2009 ( The GRAINS thermodynamic and kinetic code for modeling nebularcondensation ) . Walter & Carron 1964 (Dampfdruck und Dampffraktionierung von Silikatschmelzen mit Tektit-Zusammensetzung ) erwähnt spezifische, ziemlich hohe, experimentelle Dampfdrücke (obwohl es so klingt, als wären dies hauptsächlich gelöste flüchtige Stoffe), sowie „eine Siedepunktkurve ... [die] sich von der unterscheidet Gleichgewichtsdampfdruckkurve aufgrund von Oberflächenspannungseffekten" in ihrer Zusammenfassung, aber ich kann derzeit nicht einmal das Papier erreichen (genauso wie ich Petaev 2009 nicht erreichen kann).

Eine Sache, die bei all diesen Vorschlägen zu beachten ist, ist, dass sie im Vergleich zu beispielsweise Wasser sehr starke Bindungen aufweisen (metallische Bindungen und ionische Bindungen). Diese Verbindungen müssen normalerweise zu elektrisch neutralen Atomen oder Molekülen/Ionenpaaren werden, um zu verdampfen. Erst bei sehr hohen Temperaturen verdampfen sie direkt zu Plasma

• Die Frage Gasförmige Metalle?
• Wie ist Natriumchlorid im gasförmigen Zustand?
• Armstronget al. 2007 Verdampfung von ionischen Flüssigkeiten

Das bedeutet, dass sie viel Energie benötigen, um zu verdampfen. Lava enthält normalerweise auch viele Ionenbindungen und kann auch sehr große polymerähnliche Ionen und Moleküle enthalten.* Sehr große Moleküle müssen normalerweise aufbrechen, damit eine Substanz, die sie enthält, verdampft, was ebenfalls oft viel Energie erfordert. Diese Art von Überlegungen könnten Ihnen bei der Suche nach geeigneten Flüssigkeiten helfen.

*Außerdem sind diese Ketten oft recht kurz, besonders wenn die Temperatur hoch ist, der Druck niedrig ist oder die Schmelze viel „Wasser“ enthält. Bjørn Mysen 1983 und 2014 diskutieren diese Auswirkungen auf den Polymerisationsgrad ausführlich: The Structure Of Silicate Melts Water-melt interaction in hydrous magmatic systems at high temperature and pressure . Vakuum ist offensichtlich ein niedriger Druck, obwohl es in seinen Auswirkungen auf die Silikatpolymerisation wahrscheinlich etwa 1 atm entspricht, außer dass möglicherweise noch mehr "Wasser" schnell entweichen kann und eine fast vollständig wasserfreie Schmelze zurückbleibt. (Geologie hat häufig mit Tausenden von atm Druck zu tun, daher ist 1 atm in der Geologie oft ungefähr 0 atm.)