Без цифр для «огромного количества тепла» или более подробной информации о размере и других деталях вашего корабля, я думаю, что лучше всего надеяться на обзор основ.

Тепло течет от более высоких концентраций к более низким концентрациям. Если использовать охлаждение для перемещения тепла от низкого уровня к высокому, он никогда не будет эффективен на 100% и будет производить больше общего тепла. Теплопередача имеет 3 основных метода перемещения тепла.

Проводимость

Тепло распространяется между материалами, находящимися в контакте друг с другом.

ΔQ̇ = -k A ΔT/ΔX

Скорость теплопередачи ΔQ̇ зависит от k теплопроводности материала, площади контакта, ΔT разности температур между материалами и ΔX, насколько далеко друг от друга находятся контрольные точки температуры.

Это используется внутри корабля, перемещающего тепло, но в космосе с вакуумом снаружи нет контакта с другими материалами, поэтому здесь нет помощи в охлаждении корабля в целом.

Конвекция

Особый случай теплопроводности, когда тепло передается жидкости (жидкости или газу), находящейся в контакте с вашим источником тепла (например, в атмосфере или под водой), это намного сложнее, поскольку жидкость часто движется, и если нет, тепло вызовет передачу движения больше тепла, чем простая теплопроводность.

Опять же, неприменимо вне корабля в космосе, так как нет контакта с жидкостью.

Радиация

Это наиболее применимый в космических приложениях. Если что-то горячее, оно испускает тепловое излучение, иногда это видно, если объекты достаточно горячие, но это происходит и в невидимом спектре.

Q = εσT⁴

ε — коэффициент излучения материала с максимальным значением 1, его можно улучшить за счет выбора материала и использования покрытий (т. е. краски)

σ - постоянная Стефана – Больцмана.

Т – температура.

Основной способ, которым это практически используется в космическом корабле, заключается в использовании методов охлаждения для перемещения тепла вокруг его концентрации и нагревания определенных частей вашего корабля для увеличения количества тепла, излучаемого в виде излучения (излучаемое тепло увеличивается в 4-й степени, поэтому горячее равно передается намного больше тепла). Радиаторные источники тепла необходимо размещать так, чтобы площадь поверхности была направлена ​​в сторону от корабля, чтобы излучение, выходящее из горячей зоны, не поглощалось другими частями корабля. Обычно это делается с помощью больших внешних ребер радиатора (часто принимаемых за солнечные батареи в реальных космических кораблях). Таким образом, ваш корабль будет остроконечным с большими ребрами охлаждения снаружи.

Альтернативные методы

• Метод пассивного охлаждения с использованием излучения заключается в уменьшении поступающего тепла от солнечного излучения с помощью затенения или отражения (большинство космических кораблей имеют белый цвет для отражения тепла). Это не поможет с теплом, выделяемым в ремесле, но уменьшит общее количество тепла.
• Перенос массы. Опять же, с использованием внутренних систем теплопередачи и охлаждения для выборочного нагрева определенных областей или предметов, а затем сброса этой массы с вашего корабля. Тепловые потери Q = m CT; m, масса, C, удельная теплоемкость и температура T. И не забудьте получить энергию из фазовых переходов, так что расплавленное железо или пар здесь являются хорошими кандидатами. Это не долгосрочная стратегия, так как вы теряете массу из-за ограниченной системы, и в конечном итоге у вас кончится материал для выброса.
• Хранение тепла. Использование внутренних хранилищ для нагрева под нагрузкой или альтернативное наличие предварительно охлажденного материала радиатора для поглощения выделяемого тепла. Они не обеспечивают какого-либо чистого источника рассеивания тепла, но могут обеспечить временное буферное хранилище избыточного тепла, которое позже будет удалено с помощью радиаторов или обменено на местном торговом посту или на плавучем корабле.
• Интересной технологией полубудущего применения в этой области являются тепловые сверхпроводники (в настоящее время проявляемые только жидким гелием при очень низких температурах), они очень быстро передают тепло через себя. Приложите тепло к одному концу, и все это нагреется, а не только конец рядом с источником тепла. Это позволило бы улучшить конструкцию внутреннего управления теплом.
• Самое главное — это эффективное использование теплоизоляторов и конструкции корабля, чтобы тепло не уходило туда, куда вам не нужно. Ваш термоядерный реактор и другие корабельные системы могут нормально работать при температуре в несколько сотен градусов, но люди или другие важные системы могут работать в таких условиях плохо. Космический вакуум хорошо изолирует, как мы видели, поэтому физически отделить боевой отсек от высокоэнергетического термоядерного реактора, скорее всего, просто необходимо.

Основы термодинамики

Основные законы термодинамики гласят:

• Полная энергия в любой изолированной системе постоянна.
• Связанная тепловая энергия (энтропия) будет увеличиваться в изолированных системах
• Тепловая энергия может рассматриваться как движение частиц и, таким образом, может рассматриваться как средняя кинетическая энергия частиц в жидкости (то есть в среде в жидком или газообразном состоянии).
• Температурный поток всегда следует в том же направлении, что и температурный градиент между двумя объектами:$\Delta \Delta \text T = \nabla \text T$
  • из-за этого он течет только от горячего к холодному и движущей силой любого температурного обмена является разница температур,$\Delta \text T$.
  • Тепловая энергия рассчитывается с$\text Q = \text {mc} \Delta \text T$, Q — энергия, m — масса объекта, c — материальная постоянная и$\Delta \text T$— это либо температура, на которую мы подняли температуру объекта (тогда Q — энергия, которую мы ему «отдали»), либо разность до абсолютного 0 (тогда Q — полная тепловая энергия).
• Сила может создать разницу температур либо:
  • приложение трения к части системы или
  • перенос среды с температурой из одной точки всей системы в другую
  • жидкости могут изменять свое состояние, плотность, объем и температуру, для газа это регулируется формулой газа :$\text {p V} = \text {n R T}$- давление , раз Объем - число молекул газа, умноженное на газовую постоянную R , умноженное на температуру

Частичное решение: Перераспределение внутри корабля

Внутри корабля у нас есть несколько проблем, к которым мы привыкли на Земле: у нас есть расположение источников тепла, которые нуждаются в охлаждении (машины, электроника, человеческие тела), и газообразная среда между ними.

Здесь пригодится тепловой насос : из-за приведенной выше формулы газа мы можем поставить определенное количество газа под давление и повысить его температуру или уменьшить его давление, чтобы понизить ее. При этом мы можем существенно помочь в передаче тепла от одних точек к другим, особенно изнутри станции наружу по радиаторам, ускоряя достижение равновесия. Более того, машина может продолжать отводить все лишнее тепло за пределы станции, особенно на радиаторы, где и начинается наша проблема.

Анализ проблемы: Космос

Основная проблема с охлаждением космоса в том, что космос близок к вакууму. Почти вакуум означает, что материала (среды) для передачи тепла практически нет, по крайней мере, без потери массы корабля.

В среднем существует плотность от 0,1 атома на кубический сантиметр до 1000 атомов в том же объеме, а температура космического фона составляет около 3 Кельвинов. Это хорошо, с одной стороны (большой температурный градиент, поэтому, возможно, большой поток), но плохо, с другой стороны (мало или совсем нет материала, который мог бы отводить тепло).

Да, в космосе чертовски холодно, и вы можете глубоко заморозить объект, просто вытолкнув его из шлюза, но действительно очень сложно охладить свой корабль с помощью базового теплообмена с помощью конвекции. Тем не менее, есть пути, по которым мы могли бы пойти, в основном радиация.

Решение 1: ЭМ излучение/свет

Достаточно нагреть объекты (обычно выше 798 K = 525 °C = 977 °F), они начинают накаляться и излучать тепловое излучение. Другими словами: они светятся. В этом состоянии они рассеивают тепловую энергию в виде ЭМ волн (то есть света) в дополнение к предшествующей конвекции (нагревание закаленных частиц воздуха и придание им некоторой тепловой энергии).

Поскольку конвекция очень затруднена из-за вышеупомянутого отсутствия другой среды, корабль мог бы использовать материалы с очень высокой теплоемкостью, близкие к материалам, которые имеют очень хороший эффект накаливания, чтобы рассеять большую часть тепла в форме теплового электромагнитного излучения. вне станции. В качестве (не рассчитанного) примера можно использовать трубы, заполненные жидким металлом (на ум приходит литий) при температуре, при которой трубы светятся от красного до желтого. Это далеко не самый эффективный способ, но хоть какой-то способ избавиться от жара.

Решение 2: выброс (нагретой) массы

Но излучение — не единственный способ получить некоторую тепловую энергию из системы. Мы установили, что можем транспортировать тепло внутри станции с помощью тепловых насосов. В экстренной ситуации тепловой поток может быть перенаправлен на какой-то второстепенный модуль, чтобы максимально нагреть его, а затем просто отключить весь модуль. Это отделяет тепловую энергию, которая сейчас хранится в этом модуле, от остальной части станции. Но это будет крайний способ.

Вместо того, чтобы выбрасывать целые перегретые модули, можно было бы лучше отправить какой-нибудь низкотемпературный газ (например, жидкий азот или водород), нагреть его с помощью циклов теплового насоса, а затем просто выпустить газ из вентиляционных отверстий в космос. Он израсходовался во многом благодаря этому процессу (формула газа, помните?) и будет выбрасываться из портов на высокой скорости: остаточное тепло на станции может стать частью системы управления реакцией/повышения устойчивости, чтобы удерживать станцию ​​там, где она должно быть. Или он используется в качестве предступени для двигателей космического корабля, избавляясь от некоторой тепловой энергии через двигательную установку корабля, поскольку она подготавливает (подогревает) топливо для него.

Хотя такая система, безусловно, полезна в качестве вспомогательного средства для движения или аварийного сброса тепла (просто сбросьте воздух из перегретой секции, а затем добавьте атмосферу), она не может быть единственным методом охлаждения корабля.

Я пишу в основном из-за этой части комментария: Всегда кажется ироничным, что охлаждение — это проблема в космосе...

Другие ответы не уделили должного внимания закону Стефана-Больцмана:

Какие практические последствия имеет этот закон? Для излучателя абсолютно черного тела при данной температуре потери тепла за счет излучения будут:

• 6000К - поток энергии 73МВт/м ² (фотосфера Солнца)
• 2000К - поток энергии 900кВт/м ²
• 1000К - поток энергии 56,7кВт/м ²

или более привычные для нас температуры:

• 300К - это 460Вт/м ²
• 250К - это 221Вт/м ² , теплоноситель(Аммиак) на станции МКС
• 200К - это 91Вт/м ² , минимально возможная для МКС до того, как теплоноситель начнет забивать систему

Вакуум не является хорошим изолятором, но так кажется из-за температур, при которых мы живем и работаем. Вакуум не имеет конвекции и теплопроводности, которые являются важными режимами теплопередачи при комнатной температуре. Но при высокой температуре перенос излучения становится намного мощнее. Перечисленный выше объект с температурой 1000 К выделяет на единицу площади столько же тепла, сколько газовый гриль на полной мощности. В контексте высокотемпературных объектов и космоса, где преобладает лучистый теплообмен, вакуум вообще не является изолятором.

вопрос ОП

Продуманные дизайнерские решения решат вашу проблему теплопередачи, а углеродные нанотрубки (УНТ) — это материал будущего, который позволит вам их решить.

Проблема с «фейерверком с людьми, пристегнутыми сверху» заключается в несовместимости температур, приемлемых для людей, и температур, приемлемых для машин. Так отделите их. Отделить жилой объем от энергоблоков (реактора, двигателей).

Разделяя их, вы решаете 2 разные проблемы: тепловыделение из жилого объема (где у нас есть все компоненты, которые не могут быть отделены от людей или которые имеют такие же температурные требования, как у людей), где 300K является нормой; и отвод тепла от двигателя-реактора, где 2000К может быть совершенно нормальной температурой.

Человеческие кварталы

Конструкция этой секции зависит от размера корабля, от личных требований объема на человека, энергопотребления на человека.

Пример потребляемой мощности на человека 50кВт; объем на человека 1000 м ³ (эквивалентно 400 м ² дома или меньше), температура поверхности 300К. В этих условиях до 90 человек могут жить в сферическом жилом объеме диаметром 54 м и даже не нуждаться в радиаторе. При потреблении энергии 4,5 МВт поверхности сферического модуля достаточно, чтобы излучать всю эту энергию.

Сфера является эффективной формой, потому что она имеет минимальную площадь поверхности на объем, который она заключает, что означает меньше строительных материалов и массы на объем. Однако эта форма в пространстве не так критична, и это может быть куб борга или какая-то более плоская форма с более высоким отношением поверхности к объему. Дизайн играет там значительную роль. Требования также важны.

Двигатели и реактор

Преимущество термоядерных реакторов в том, что они могут быть также двигателем и генератором электроэнергии. Поэтому мы будем говорить только об одной единице.

Их сложно обсуждать как науку, даже когда у нас есть какие-то успехи с термоядерными реакторами, Вендельштейн 7-Х

Изображения для иллюстрации взяты с сайта projectrho.com Магнитное ограничение

(Второе изображение — довольно реалистичный дизайн, обзор состава корабля, и радиатор прикреплен таким образом, что мы тоже можем извлечь выгоду. Хорошее общее изображение термоядерного корабля в целом)

Обратите внимание, что температура плазмы высока, и она излучает отработанное тепло с высокой скоростью. Нам нужно решить проблему нагрева соленоидов, но они могут работать при высоких температурах, значительно превышающих человеческие 300К. Если мы будем держать весь этот отсек при высокой температуре, то радиаторы могут иметь значительно более высокую температуру и излучать много энергии для относительно небольшой поверхности.

УНТ, тепловые свойства

По оценкам, температурная стабильность углеродных нанотрубок составляет до 2800 °С в вакууме и около 750 °С на воздухе.

Если это правда, то, поскольку мы находимся в вакууме, мы можем работать при температуре 2000 К, излучая 1 МВт/м ² через наши радиаторы.

Ожидается, что все нанотрубки будут очень хорошими теплопроводниками вдоль трубки, демонстрируя свойство, известное как «баллистическая проводимость», но хорошими изоляторами сбоку от оси трубки. Измерения показывают, что SWNT имеет теплопроводность при комнатной температуре вдоль своей оси около 3500 Вт·м ^-1 ·K ^-1 ; сравните это с медью, металлом, хорошо известным своей хорошей теплопроводностью, которая пропускает 385 Вт·м ^-1 ·К ^-1 . SWNT имеет теплопроводность при комнатной температуре поперек своей оси (в радиальном направлении) около 1,52 Вт·м ^-1 ·K ^-1.

Это именно то, что мы ищем изоляцию в этом случае, так как она свободна из коробки, если мы делаем катушки соленоида из CNT. Мы можем получить токопроводящий провод, изоляцию для этого провода и структурную опору из одного и того же материала.

Примечание Эда: вам понадобится больше ссылок, чтобы убедить меня, что один и тот же пучок нанотрубок может выполнять все три задачи.

MolbOrg: Действительный запрос. Однако при заданном наборе факторов, таких как: моя компетентность (основная причина), трудности с поиском информации, продолжающиеся исследования УНТ (ОСНТ, МУНТ) об их свойствах и отсутствие установленных данных об УНТ из-за проблем с их производством и измерением свойств одиночной трубки. - одностенные или многостенные нанотрубки, количество информации, необходимое для уточнения - кажется невозможным установить это с некоторой степенью уверенности в этом ответе. Назовем это фантазией о чисто углеродном термоядерном двигателе, что может быть правдой, а может и нет. Однако некоторые примечания будут ниже в разделе примечаний ⁽¹⁾

Второе, на что следует обратить внимание, это катушки и расстояние между ними, в вакууме нам не нужен корпус для плазмы. На Земле в гравитационном поле он нужен нам для структурной целостности и защиты от электромагнитных сил и изоляции от атмосферы. В космосе большая часть этого нам не нужна, и уж точно не нужна как поверхность без зазоров. Таким образом, большая часть отработанного тепла плазмы будет излучаться непосредственно в космическую пустоту без необходимости использования радиаторов.

Зеркальная ячейка 3He-D

Прилагается блок выработки электроэнергии, магнитогидродинамический генератор (МГД), который преобразует плазменный выброс и утечку в электричество.

Таким образом, двигатели в основном выглядят как сетка, состоящая из конструкционных балок и спиральных колец, с прикрепленным соплом или энергоблоком на каждом конце (или на одном из концов, также возможно).

Еще один шаг заключается в том, что этот двигатель не обязательно должен иметь фиксированное крепление к жилому помещению. Тот же УНТ можно использовать для изготовления прочных кабелей (таких же, как люди представляют себе для космического лифта ), чтобы гибко прикреплять двигатели и на значительном расстоянии от жилых помещений, чтобы не возиться с их тепловыделяющими решениями.

... избавиться от этого огромного количества тепла в моем космическом корабле?

Ответ заключается в том, чтобы не создавать такое огромное количество тепла внутри вашего космического корабля и максимально использовать превосходные свойства теплопередачи вакуума.

Примечание

1. Углеродные нанотрубки как проводник, изолятор, элемент прочности конструкции (также известный как балка из каната)

   • в первую очередь, ситуация рассматривалась с точки зрения тепловых проблем, так как это забота ОП. И некоторые свойства УНТ интересны в этом контексте и заслуживают внимания.
   • изоляция, которая будет работать при этой температуре - для этого достаточно керамики, например , Al ₂ O _{3 .} Нет необходимости использовать для этого только углерод, даже если это возможно, как я думаю, как немного более сложную структуру, чем простые SWNT, SWNT/MSNT, легированные чем-то.

   • Двигатель, который я имею в виду, или использование в качестве модели, описан здесь . Это хорошо, как идея, но это все для него.
     Это ни в коем случае не научная статья, даже если автор пытается сослаться на какое-то проверенное оборудование, и ссылается на какие-то работы научного сообщества того времени и области. Но у него даже есть критика, тоже не научная, просто любителям такое нравится.
     Двигатель — это всего лишь концепт, в описании которого есть цифры. Однако цифры выглядят разумными, не для того, чтобы делать выводы, а чтобы иметь некоторое представление о том, что нам может понадобиться, и в основном не являются уникальными только для этой концепции.

   • сделать балки из веревок - есть вариант. Например, мягкий мешок в форме большой колбасы будет действовать как балка, чем выше внутреннее давление, тем лучше будет балка. То же, что и с пожарным рукавом. Прочность УНТ составляет порядка 60-100 ГПа (зависит от того, кто и как проводил замеры, и какие УНТ испытывали), что позволяет иметь довольно высокое давление при небольшом количестве материалов. Внутренней средой, которая сжимается, может быть кабель из УНТ, а давление создается за счет предварительно растянутой намотки внешней оболочки, создающей этот мешок и давление вокруг кабеля. Все вместе это будет иметь свойства сплошной балки. Но проще всего представить себе надувную конструкцию, которая образует жесткую форму. Возможны и другие варианты - в намотке (в первую очередь), в использовании композитной матрицы, электромагнитного взаимодействия, активных структур.

Все эти проблемы выходят далеко за рамки вопроса ОП, но мы находим способы использования углеродных нанотрубок, и мы далеки от того, чтобы использовать все, что они нам предлагают. Это материал будущего - точно. Могу поспорить, что он заменит сталь и другие конструкционные материалы почти везде, я это сделаю. Нет никаких сомнений в том, что это лучший материал, который у нас есть на данный момент. Похоже, что он даже обладает сверхпроводящими свойствами, около 0,5 К, но все же — Электрические свойства и применение структур из углеродных нанотрубок, стр. 9

Так что насколько оп интересует будущие материалы, так и есть. Это может быть то же самое, что люди 100 лет назад думали, что химия творит чудеса и может решить все, и это не так, даже если она играет значительную роль сегодня.

Простым решением может быть то, как Apollo LEM отводит лишнее тепло от своих электронных компонентов. Они подвергали воду воздействию космического вакуума, где она испарялась, высасывая тепло из радиатора снаружи космического корабля, на который распылялась вода.

Без воды радиатор не может излучать тепло в космическом вакууме... нет воздуха, который отводил бы тепло.

Рассмотрите возможность использования термоэлектрического охлаждения, и у вас появится возможность генерировать дополнительную мощность для вашего космического корабля.

https://en.wikipedia.org/wiki/Термоэлектрический_генератор

Установите генератор Зеебека в стенку вашего космического корабля и используйте радиаторы, чтобы направлять тепло к генератору изнутри. Чем больше разница между пластинами, тем больше энергии вы сможете из них выработать.

Вы не сможете охладить все лишнее тепло посредством этого процесса, поэтому вы можете использовать радиаторы для охлаждения остального.