Специальные материалы для космических сред обитания
Температура в различных областях космоса сильно отличается в зависимости от того, находятся ли они непосредственно под солнечным светом или нет. Например, температура на Луне может колебаться от 121 °C в течение лунного "дня" (который длится две недели), затем ночью опускаться до -133 °C, достигая 250 °C.
Для стабилизации температуры внутри среды обитания в таких условиях потребуется отопление и охлаждение в масштабах, которые никогда ранее не проводились на Земле. Но что, если есть способ облегчить бремя этих перепадов температуры? Согласно статье исследователей из Политехнического университета Мадрида, опубликованной в журнале Thermo, решением проблемы могут стать материалы с фазовым переходом (PCMs).
PCMs известны уже некоторое время и в настоящее время используются в нескольких отраслях промышленности, включая аккумуляторы, солнечные электростанции, тепловые насосы и даже космические аппараты. Пожалуй, самое интересное, что они использовались для охлаждения и обогрева внутренних помещений зданий на Земле.
Они поглощают тепло в жаркое время года (будь то день или сезон) и выделяют его в более прохладное время года. Они действуют как гигантский тепловой "приемник", увеличивая время нагрева или охлаждения и обеспечивая изоляцию всего, что их окружает.
Другой способ объяснить это - использовать концепцию тепловой инерции. Когда объект, например здание, находится на солнце, солнечные лучи непосредственно воздействуют на него, вызывая его нагрев. С другой стороны, если объект больше не находится на солнце, но все еще содержит много тепловой энергии, он начнет отдавать часть этого тепла. В вакууме энергия излучения передается через инфракрасный свет, как и в космосе.
PCMs обладают такой большой тепловой инерцией, потому что они либо поглощают, либо выделяют много энергии при переходе из одной фазы в другую, например, из твердой в жидкую или из жидкости в газообразную. Например, в статье описывается использование н-октадекана в качестве одного из рассматриваемых PCMs. Он переключается в режим около 28 °C, что немного выше комнатной температуры. Что делает его идеальным для поддержания в помещении примерно такой температуры.
Изменение температуры чего-либо, построенного с использованием PCMs, гораздо сложнее, и эта задача может облегчить регулирование температуры внутри космической среды обитания. Исследователи смоделировали, что произошло бы, если бы космическая среда обитания была построена с использованием PCMs внутри стен, и обнаружили значительное снижение затрат на отопление и охлаждение, необходимых для поддержания среды обитания в температурном диапазоне, комфортном для человека.
В расчет были включены и другие факторы, такие как отражательная способность внешней поверхности стены и период солнечного цикла, который проходит солнце. Однако авторы обнаружили, что при оптимальных условиях проектировщики могут полностью пассивно обогревать и охлаждать космическую среду обитания, используя только PCMs.
Это довольно впечатляющий результат, хотя маловероятно, что оптимальные условия когда-либо будут созданы на практике. Тем не менее, любая экономия энергии, которую могут обеспечить материалы, будет приветствоваться в среде обитания, которая, скорее всего, столкнется с нехваткой энергии, когда начнется строительство. Однако существует много различных идей о том, как следует строить эти места обитания, в том числе с использованием реголита на Луне.
Неясно, насколько целесообразно было бы встраивать PCMs в стены пещер или другие конструкции с использованием местных материалов. Само количество PCMs, необходимое для терморегулирования массивной среды обитания человека, также может оказаться непомерно дорогостоящим при нынешних ценах.
Однако материалы продолжают совершенствоваться, и в этом контексте их использование имеет очевидные преимущества. Хотя они, возможно, и не будут интегрированы в некоторые из первых мест обитания, которые человечество строит в космосе, они, несомненно, будут использоваться в будущих, и эта статья - один из шагов к этому.
