Будут ли костюмы, которые носят на Марсе, терять килограммы «расходуемой воды» при каждом использовании?

Поскольку Стив только что ответил на этот вопрос... что ж, я тоже. Нет необходимости потреблять и выбрасывать массу для контроля тепла. Марс холодный.

См., например, эту статью в Science .

Хотя охлаждение ветром на Марсе не будет такой серьезной проблемой, как предполагалось ранее, потеря тепла все равно будет проблемой, говорит Ощевски. Например, исследователь Марса, подвергшийся ветру со скоростью 15 км/ч при температуре -40°C, потеряет всего лишь 60% тепла по сравнению с исследователем Арктики в тех же условиях. Только 30% этих общих потерь тепла будет унесено разреженным марсианским воздухом (форма конвекции); большая часть остатка будет потеряна из-за радиации. По словам Ощевски, даже в среде без атмосферы горячие объекты излучают энергию в холодную среду. Этот относительный сдвиг в способе потери тепла означает, что инженерам потребуется разработать скафандры, которые препятствуют излучению тепла — возможно, с помощью просветляющих покрытий.

Тем не менее, даже люди в космическом скафандре будут терять тепло через ботинки и перчатки, когда они стоят в тени или собирают оттуда образцы, отмечает Ощевски: «Поднять камень из тени будет все равно, что взять кусок сухого льда».

MSL производит около двух киловатт тепловой энергии и перекачивает ее вокруг марсохода, чтобы поддерживать системы в тепле. Холодные пластины термальной системы не обращены к небу, и она не потребляет массу для отвода тепла.

Насколько мне известно, ни один марсианский скафандр еще не доработан. Скафандр Apollo A7L действительно тяжелый (91 кг), что было приемлемо в условиях меньшей гравитации Луны. На Марсе довольно скоро станет некомфортно, поэтому я подозреваю, что мы увидим новые конструкции костюмов для использования на Марсе.

Марс — это среда, отличная от LEO или Луны, поэтому костюм в любом случае должен быть другим:

• это намного холоднее, поэтому меньше необходимости в охлаждении. На НОО или на Луне температура на поверхности скафандра колеблется от +150 до -100 °C. На Марсе инсоляция намного меньше (поступает меньше энергии), а атмосфера (какой бы тонкой она ни была) несколько стабилизирует температуру поверхности. Пиковые температуры на Марсе составляют около +20 °C, самые низкие температуры составляют около -120 °C.
• более благоприятная среда (меньше необходимости в защите от микрометеороидов)

Ну, конечно, мы не знаем, что выберут наши инженеры, но:

У Марса есть атмосфера, поэтому возможно традиционное охлаждение/нагрев Земли. Подумайте о причудливом радиаторе, работающем в вашем MarsSuit.

Мне кажется правдоподобным, что система сублимации CO2 является вариантом. Возможно, вместо воды расходуется напорный бак жидкого СО2.

Преимущество будет заключаться в том, что компрессор на станции сможет со временем пополнять запасы CO2 из марсианской атмосферы.

Давайте возьмем цифру @Uwe в 500 Вт от тепла тела и функционирования костюма. Это должно быть удалено из костюма так или иначе.

Пассивная проводимость на Марсе невозможна, воздух слишком разрежен.

Мы могли бы сжать марсианский воздух, а затем пропустить его через теплообменник. Предположим, мы сжимаем x$kg/s$до давления P$Pa$.

Энергия , необходимая для сжатия $n$моль газа от объема$V_1$к$V_2$является$W=nRT\ln\left({V2\over V1}\right)$так сжать 1 кг марсианской атмосферы при 250К до давления$P$является

$$W = 22x*R*250* \ln\left(P\over 600\right) \approx 45650 x \ln\left(P\over 600\right) J$$ (1 кг составляет примерно 22 моля). Эта энергия проявляется в виде нагревания газа при его сжатии.

Прибавляя 500 Дж, производимых каждую секунду внутри скафандра, и используя известную удельную теплоемкость$CO_2$мы находим, что энергия сжатия плюс энергия внутри скафандра нагревают выхлопные газы до температуры$T = 250 + {0.588\over x} + 53.7 \ln\left(P\over 600\right)$. В идеале мы хотели бы, чтобы эта температура была не выше внутренней температуры скафандра, иначе нам придется перекачивать тепло, используя еще больше энергии. Скажем интерьер костюма уютный 310к. Мы заканчиваем с

$$60x = 0.588 + 53.7 x \ln\left(P\over 600\right)$$ так $x (60 - 53.7 \ln\left(P\over 600\right))$составляет примерно 0,588.

Это дает нам жесткий верхний предел для$P$. Если$P$слишком велико, член в квадратных скобках слева будет отрицательным, и уравнение не будет иметь решения. Другими словами, мы не можем сжать газ выше определенной точки, иначе он станет горячее, чем то, что мы пытаемся охладить. Этот момент возникает, когда$P/600$составляет около 3, поэтому наш предел составляет около$2000 Pa$(0,02 атм), и по мере приближения к этому масса газа, необходимая нам в секунду, стремится к бесконечности. Таким образом, чтобы это работало, нам понадобится теплообменник, способный отдавать 500 Вт тепла в$CO_2$при давлении 0,02 атм и не сильно холоднее теплообменника. Это похоже на явный нестартер.

Наш следующий вариант — излучать тепло. Мы могли бы представить своего рода «зонтик» над скафандром, направленный на то, чтобы излучать тепло в небо в сторону от Солнца. при 310К снова излучение около$500 W/m^2$, так что это гораздо более перспективно. Для каждого костюма потребуется примерно 1$m^2$панель радиатора направлена ​​на темное небо. Неэффективность, вероятно, немного увеличила бы это значение, что стало бы громоздким, но тот факт, что излучение увеличивается по мере$T^4$означает, что небольшая тепловая перекачка, то есть радиатор, возможно, на 400K, позволит вам значительно уменьшить его.

Любое другое решение в основном сводится к нагреву чего-либо (или, возможно, к некоторому фазовому переходу) и удалению его из скафандра либо немедленно (как в оригинальных сублимационных охладителях Apollo), либо позже (как в различных пакетах со льдом). решения). Проблема состоит в том, чтобы найти систему, которая будет хранить достаточно энергии на килограмм. Испаряющаяся вода дает вам около 2 МДж/кг. Испарение CO2 дает вам примерно 400 кДж/кг, примерно столько же, сколько таяние льда. Ни один из них не особенно привлекателен для работы весь день на Марсе.

ОБНОВЛЕНИЕ: «Ледяные батареи» уже начинают коммерциализироваться, в настоящее время как более крупные устройства для домов или зданий. Имея опыт, полученный здесь, можно легко разработать миниатюрную версию. Это может быть нерентабельно для личного использования на Земле, но, учитывая, что цена «одноразовой воды» на Марсе вначале может быть «астрономической», это все больше и больше кажется лучшим решением.

Другие рабочие материалы, такие как соленая вода или смеси этиленгликоля, также изучаются.

Ars Technica: Калифорнийская коммунальная служба дополняет 1800 кондиционеров «ледяной батареей»

Green Tech Media: Axiom Exergy выводит на рынок свои холодильные батареи через 3 года

---

tl;dr Возможно, нет, по крайней мере, не в начале. Одной из возможных альтернатив потере воды путем сублимации могут быть сменные пакеты со льдом (один раз в час или дольше), которые естественным образом повторно замерзают на поверхности. Позже, после извлечения воды из геологических подземных источников, потеря нескольких килограммов за 8-часовой выход в открытый космос может быть приемлемой.

Согласно другим комментариям, «кондиционеры» или$\text{CO}_2$сублиматоры, вероятно, не очень осуществимы с термодинамической точки зрения.

---

У астронавтов Аполлона были относительно короткие миссии, и поэтому можно было разместить 10 фунтов «расходуемой воды» для охлаждения их скафандров путем сублимации в космос на каждый выход в открытый космос.

На МКС выходы в открытый космос случаются редко, поскольку большая часть интересного находится либо внутри, либо с помощью роботов снаружи.

Однако пилотируемый полет на Марс — это совсем другое дело. Предположительно, они не будут отправлены туда, чтобы просто сидеть в «жилом помещении» в течение шести месяцев и водить снаружи радиоуправляемых роботов. Термин «незагрязненная вода» звучит гораздо более болезненно, учитывая, что ее придется доставлять с Земли или кропотливо извлекать из недр почвы или, возможно, крошечных следов в атмосфере (?).

В то время как энтальпия сублимации воды составляет около 51 кДж/моль , энтальпия плавления (замерзания) почти в десять раз ниже, около 6,0 кДж/моль . утром хорошо промерзнут, а также значительно ниже 0 °C. Если к утру они достигают -20 °C, вы получаете дополнительные 1,5 кДж/моль.

7,5 кДж / моль соответствует примерно 1800 БТЕ охлаждения на 10 фунтов удерживаемой восстанавливаемой воды. Так что примерно раз в час, а иногда и дольше, вы просто меняете свой пакет со льдом на другой, который простоял на улице всю ночь.

Эти пакеты со льдом могут иметь несколько простых изоляционных клапанов, которые пассивно открываются ночью, чтобы они могли излучать в космос, и закрываются, когда нагреваются солнечным светом, поэтому они могут оставаться холодными до конца дня.

Пакет может иметь размеры 30 x 30 x 5 см (около десяти фунтов) и может излучать около 250 Вт, если смотреть в пространство с коэффициентом излучения, скажем,$\epsilon$= 0,8, так что всего за несколько часов его можно было «зарядить» «холодом» и снова приготовить к работе.

Если у вас закончились пакеты со льдом на поверхности (или снаружи вашего автомобиля) в какой-то необычной ситуации, вы можете стиснуть зубы, проколоть его и сублимировать жидкую воду, как это было в «дни Аполлона».

Это будут высокотехнологичные пакеты со льдом, способные обмениваться теплом со скафандром и с пространством, а затем повторно изолировать себя в течение дня, но я не могу придумать какой-либо фундаментальной причины, почему это не сработает.