Как мне одеться для похода в жаркий летний день на Титане?

Титан имеет атмосферу с поверхностным давлением около 150 кПа. Его средняя температура поверхности составляет около 94 К, около -183°С. В погожий, солнечный, безветренный летний день вблизи экватора погода может быть почти такой же приятной, как погода первого условия в Антарктиде (менее -73°C и устойчивый ветер более 30 м/с). К счастью, на Титане обычно довольно спокойно , и кто знает, насколько выше 100К может подняться температура во время сильной жары¹?

При условии, что у меня будет достаточно кислорода для дыхания, как я оденусь для похода в жаркий летний день на Титане? При поверхностной гравитации всего 1,45 м/с² я не слишком беспокоюсь о переноске 50-килограммового рюкзака (хотя меня тошнит от ношения РИТЭГа в рюкзаке).

¹ Судя по всему, насколько нам известно, немного :(

@ Джек, я хотел спросить это там! Но я думаю, что у них не будет нужного опыта, и они откажутся от моего предложения по 50-килограммовому рюкзаку, так как к ним проникли люди со сверхлегким весом.
сверхлегкий? Согласно Википедии, Титан имеет гравитацию 0,85 Луны.
@J.Doe Я имею в виду, что некоторые из толпы The Great Outdoors думают, что любой, кто путешествует с весом более 8 кг на спине, сумасшедший, поэтому мне нужно объяснить им, что 50 кг на Титане имеют такую ​​​​же гравитацию, как 7 кг на Земле. , хотя у него такая же инерционность и все равно будет громоздко, так что не знаю :) Выложу в их чат.

Ответы (2)

Зонд ESA Huygens очень точно охарактеризовал условия в месте его посадки на поверхности Титана и подтвердил измерения, сделанные в рамках исследования Voyager 1 Radio Science (VRS) почти 25 лет назад. Он измерил температуру поверхности 93,8 К (VRS: 94,0 ± 0,7 K), поверхностное давление 1467 мбар (VRS: 1496 ± 20 мбар), содержание метана 5,65 ± 0,18% по объему в почти чистом азоте и около - приземные ветры в диапазоне 0,5-1 м/с , что хорошо согласуется с подробными моделями глобальной циркуляции. Состав атмосферы, температура и давление обеспечивают массовую плотность на поверхности примерно в 4 раза больше плотности земной атмосферы на уровне моря.

На Земле планирование пешего похода требует хотя бы небольшой предусмотрительности. Будет ли поход дневным походом в Сахару или зимним походом на южный полюс, или где-то между ними? Огромный диапазон условий, возможных на Земле, сильно влияет на виды снаряжения, которые вам нужно взять с собой.

На Титане не так. В некотором смысле Титан похож на Венеру: его плотная атмосфера очень эффективно переносит тепло от таких источников, как солнечная энергия, по всему Титану. Как и на Венере, куда бы вы ни отправились на Титане, места на одной и той же высоте показывают очень небольшую разницу температур. В статье Википедии о климате Титана говорится: «Титан находится примерно на 12% ближе к солнцу летом в южном полушарии, что делает южное лето короче, но жарче, чем северное лето». Горячее?? Все наблюдения показывают, что наибольшая разница температур на Титане от подсолнечной широты летом до зимнего полюса составляет ~3,5 К! Так что один костюм подойдет, куда бы вы ни пошли на Титане.

И подойдет, как говорит @peterh. Не полноценный скафандр, так как ему не нужно поддерживать повышенное давление внутри, но просто нельзя допускать, чтобы какая-либо часть вашего тела подвергалась прямому воздействию титанианского воздуха при температуре 94 К.

Костюм также должен подавать пригодный для дыхания воздух, и здесь есть небольшая хитрость. Вы просто не можете планировать дышать чистым кислородом при давлении почти 1,5 бара. Помимо чрезвычайной пожароопасности, это еще и опасность для здоровья. И вы, вероятно, не хотите пытаться поддерживать давление внутри костюма на уровне ~ 1/3 бар, чтобы вы могли использовать чистый кислород. Использование такой разницы давлений сделало бы костюм намного тяжелее и жестче. Таким образом, в дополнение к переносу кислорода вам нужно каким-то образом обеспечить инертный газ, чтобы компенсировать разницу в давлении. Вы не можете просто принести титанианский воздух, нагреть его и смешать с кислородом. Дело не в том, что метан токсичен, наоборот , в этом отношении он довольно безопасен . Дело в том, что 5+% метана в смеси с кислородом - это горючая смесь., так что это был бы несчастный случай, который только и ждал, чтобы случиться. Если вы используете воздух с Титана в качестве фонового газа, вы должны удалить из него большую часть метана, а это требует энергии.

К счастью, удаление метана путем его конденсации потребовало бы охлаждения воздуха Титаниана менее чем на 20К. Это не особенно сложно и может быть выполнено с помощью охладителя Пельтье . Охлаждение выдыхаемого газа до ~195 К приведет к конденсации CO2 для повторного вдыхания того, что осталось, особенно кислорода. Для этого не нужен никакой охлаждающий механизм, достаточно чего-то вроде автомобильного радиатора, чтобы отводить тепло в атмосферу Титаниана. Это также приведет к конденсации воды, которую вы захотите вернуть в очищенный (от CO2) воздух. Использование двух различных температур в скруббере, вероятно, является наилучшим подходом: более высокая температура используется для удаления (для последующего возврата) большей части воды, но не CO2, а более холодная температура используется для очистки CO2 для утилизации.

Если вы не собираетесь использовать воздух с Титаниана, вам придется принести свой собственный фоновый газ, будь то азот, гелий или что-то еще. Это не должно быть в отдельном резервуаре, но содержимое одного резервуара будет составлять всего ~ 15% кислорода. Если вы использовали очищенный Титанианский воздух, ваш резервуар может содержать 100% кислорода, что позволяет увеличить продолжительность без пополнения.

Костюм должен держать вас в тепле. Мой друг и коллега Джулиан Нотт , опытный воздухоплаватель, проанализировавший возможность полета на воздушном шаре на Титане, изучил, сколько изоляции потребуется для поддержания комфортной температуры внутри скафандра, используя только тепло тела. Его (неопубликованный) результат: костюм становится довольно толстым и может мешать движению. Вы можете сделать костюм тоньше, используя обогреватель костюма, но это требует больше энергии. Это еще предстоит сделать: вы делаете костюм толще, чтобы использовать меньше энергии для нагрева, или тоньше с обогревателем костюма, чтобы облегчить мобильность?

Есть еще один предмет, который понадобится костюму. Вне зависимости от того, какие варианты будут выбраны, потребуется электроэнергия, поэтому понадобится какая-то батарея, или топливный элемент, или какой-то другой источник электроэнергии. Это не будет солнечная батарея! Уровень освещенности в полдень на поверхности Титана составляет примерно 1/1000 полного солнечного света на Земле. Облака и дымка Титана рассеивают солнечный свет, так что вы не сможете сделать эффективный концентратор. Вот вам и солнечная энергия для относительно энергоемкой деятельности на Титане! Но технология аккумуляторов прошла долгий путь со времен Аполлона, поэтому относительно легкая батарея (особенно в Титане ~ 1/7 г!) могла обеспечить достаточную мощность для скафандра.

Ни одна из проблем, изложенных здесь, не кажется сдерживающей. Самая большая проблема — добраться до Титана!

Оказавшись там, в этой низкой гравитации и густой атмосфере, вы могли бы надеть свой костюм, пристегнуть несколько относительно небольших крыльев к рукам, взмахнуть руками — и полететь! (со ссылкой на книгу Роберта Зубрина 1999 года) Я бы порекомендовал немного потренироваться перед тем, как попробовать.

Интересно, почувствую ли я какую-нибудь заметную разницу между стоянием на солнце или в тени?
Обратите внимание, что 5% — это нижний предел предела воспламеняемости метана ( en.wikipedia.org/wiki/Flammability_limit ). 4% метан не горит (хотя я не химик, так что не цитируйте меня :)). Вам не нужно вычищать весь или даже большую часть метана, чтобы избежать проблем со сгоранием.
Наличие метана обеспечивает энергетическое решение.
@joojaa Стехиометрическое соотношение для полного окисления метана (таким образом, получение всей энергии, которую вы можете получить от реакции) требует, чтобы на каждый грамм метана, который вы реагируете, вы должны были предоставить в четыре раза больше массы кислорода, будь то сжигание или топливный элемент — что угодно. Для очень короткого пребывания на Титане таскать с собой кислород может быть не слишком обременительно. Но для длительного пребывания вам понадобится много кислорода, и вам, вероятно, лучше будет использовать ядерный источник электроэнергии для зарядки вторичных (перезаряжаемых) батарей или для гидролиза местной воды (льда) для получения кислорода.
@gerrit Хороший вопрос! Но нет, вы бы не стали, потому что нет различия между солнцем и тенью, как это обычно бывает на Земле. Густые облака и дымка, покрывающие Титан, делают небо таким, каким оно является на Земле, когда над головой однородный слой слоистых облаков: небо практически одинаково яркое, независимо от того, в каком направлении вы смотрите. Это стирает большинство теней. Но эффективная скорость тепловой конвекции в атмосфере настолько высока, что в любом случае не будет большого температурного контраста.
Есть еще одно преимущество использования метана Титана в составе смеси инертных газов: метеоризм в скафандре почти не заметен. Кто-то может счесть это недостатком, на самом деле.
Это немного поздно, но с глубоким сожалением и большой грустью я должен сообщить о смерти Джулиана Нотта, воздухоплавателя, о котором я упоминал в ответе выше, 23 марта этого года (2019) в результате несчастного случая после успешной демонстрации нового тип баллона. Его потеря стала ударом для мира в целом — он был многогранным парнем, с которым приятно было находиться рядом, — но особенно для мира исследователей.

Азотно-метановая смесь с температурой -183 C не превращает вас в кубик льда на месте, но все же вызывает быстрое замерзание ран. Ваш единственный способ избежать этого, если все ваше тело защищено, нет. с м 2 может оставаться открытым.

Вам также необходимо снабжение кислородом. Тут возникает еще одна проблема: метан с подачей кислорода становится взрывоопасным веществом. Концентрация метана на поверхности Титана составляет около 5% ( ссылка ), что, безусловно, является сильной пожарной опасностью, это может быть даже взрывоопасная смесь.

Объединив их вместе, результат будет не слишком далек от скафандра. Может быть, единственная разница в том, что скафандры должны противостоять давлению, в то время как это становится не проблемой, потому что с этим легко справиться путем избыточного давления.

Но этот костюм должен быть максимально защищен от малейших утечек кислорода. В обычных скафандрах небольшая течь не проблема (если она с порядком ниже потребления кислорода космонавтом).

Самая большая проблема заключается в том, что ваш выдыхаемый воздух все еще содержит 10-16% кислорода, поэтому вы не можете просто позволить ему уйти. Или рискуете, что он соберется у ваших ног (кислород плотнее метана), а потом взорвется.

Так

Ps @imsodin говорит в отличном комментарии:

Разве это [горящий кислород в метановой атмосфере] нельзя использовать для нагревания?

пс2. Отличный комментарий @ Called2voyage:

Таким образом, вам придется носить костюм на Титане, но он будет больше похож на гидрокостюм и снаряжение для подводного плавания, чем на костюм для выхода в открытый космос.

Атмосфера Титана состоит из 1,4% метана. Достаточно ли этого, чтобы сделать смесь 10% кислорода с 1,4% метана взрывоопасной?
Даже если это так, просто используйте ребризер, как в дайвинге.
@imsodin Верно! Большая часть атмосферы Титана состоит из азота, а не из метана. Но вики говорят , что концентрация метана в нижних 8 км атмосферы составляет почти 5%, в стратосфере — 1,4%. Даже если он не взорвется, он точно может сгореть.
Небольшие утечки кислорода не будут взрывоопасными, особенно при слабом ветре или движении туриста, так что скопления кислорода не будет. И вам все еще нужен источник воспламенения. Подумайте, например, о небольших утечках из вашей пропановой горелки или газового барбекю. Кроме того, ребризер, который удаляет выдыхаемый CO2, будет довольно простым на Титане, поскольку CO2 замерзает при температуре -78,5 C.
@jamesqf Также опасны небольшие утечки, если они могут накапливаться. Например, свинцовые аккумуляторы имеют тенденцию выделять водород, который опасен в закрытых помещениях (обрабатывающие мастерские, ремонт автомобилей и т. д.). Смесь кислорода и азота более плотная, чем смесь метана и азота в атмосфере, поэтому она будет собираться на поверхности, делая всю Луну «закрытым местом» с этой точки зрения.
Вам также будет значительно жарче, чем вокруг. Должен ли скафандр специально проектироваться, чтобы не расплавить землю под вами?
@peterh, нижний предел взрываемости метана 4,4%. Добавьте 10% кислорода в атмосферу для дыхания, и метан будет настолько разбавлен, что не сможет взорваться.
@Mark Здесь у нас не метан в кислороде, а кислород в метане. Это другой конец взрывоопасного диапазона. Разбавление не имеет значения, имеет значение парциальное давление. А собранный где-то на поверхности кислород тоже может быть опасен. И огонь может быть опасен и без взрыва.
Вопрос: даже если некоторое количество кислорода выйдет и загорится, не будет ли это мизерным количеством и, таким образом, ничтожным огнем, который немедленно погаснет? Что заставило бы кислород скапливаться снаружи в большом количестве и только потом гореть/взорваться вместе с метаном? (Предположение: скафандр находится под давлением так же, как и снаружи, поэтому у кислорода нет стимула выходить через утечки)
@BlueCoder Кислород более плотный, чем метан, поэтому он собирается на поверхности под своим весом. Обратная проблема, когда водород скапливается под крышей, — проблема в автомастерских, работающих со свинцовыми аккумуляторами.
Спасибо, peterh, теперь я вижу последнюю часть ответа о скоплении кислорода у ваших ног :) Что ж, если кислород скапливается у ваших ног, вы можете намеренно держать пламя на своих ногах, чтобы сжечь его, пока его не стало слишком много :D
Вам нужен костюм, который согреет вас. К счастью, это несложно: наденьте эквивалент одежды с жидкостным охлаждением и вентиляцией ... принесите кислород, затем погрузитесь в атмосферу Титаниана и заставьте его реагировать в топливном элементе . Presto: электричество для бортового бортового компьютера и теплая вода для циркуляции в гидрокостюме Titan EVA. Что касается опасности возгорания... у вас, в основном, те же проблемы, что и на Земле, когда дело доходит до перемещения горючих газов, теперь вы просто относитесь к кислороду как к горючему газу.
@peterh: Чтобы получить взрывоопасную / горючую концентрацию, вам понадобится замкнутое пространство для сбора газа, которое вы не собираетесь гулять снаружи. В противном случае он просто рассеялся в короткие сроки — вот почему у вас не будет долговременных «луж» кислорода на поверхности, точно так же, как мы не получаем луж аргона на Земле.
Комментарии не для расширенного обсуждения; этот разговор был перемещен в чат .
Как мне одеться для похода в жаркий летний день на Титане?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v