Растения, случайно попавшие в космический вакуум — успеют ли их вовремя спасти поселенцы?

Основная проблема заключается в том, что, когда одна из двух теплиц начнет вентилироваться наружу, декомпрессия воздуха вызовет понижение температуры, что в конечном итоге приведет к замерзанию растений.

Как только вода внутри клеток замерзнет, ​​они взорвутся из-за объемного расширения в результате образования льда. Если вода не замерзнет, ​​она испарится, снова разорвав клетку. Когда ячейка сломана, вы ничего не можете сделать, чтобы восстановить ее.

Как долго эти растения могут выжить в вакууме, пока их не спасут?

Учитывая, что теплоемкость листьев довольно низкая, я реально ожидаю 100% гибель в первые минуты после того, как температура опустится до точки замерзания или испарится вода.

Мы можем это вычислить. Поскольку воздуха больше нет, конвекционное охлаждение [1] больше не актуально. Я буду игнорировать кондуктивное охлаждение [2], предполагая, что теплица изолирована от лунной поверхности. Это оставляет нас с радиационным охлаждением [3]. Радиационное охлаждение удобно рассчитать с помощью этих онлайн-калькуляторов [4][5].

Ущерб не будет одинаковым для всех растений, поэтому я приведу цифры для нескольких примеров. Теплица будет работать при 301 К, температуре, которая появилась, когда я набрал оптимальную температуру в теплице [8]. Я буду считать, что растение погибло, как только будет достигнута температура 273 К, так как вода здесь замерзнет.

Капуста и кочанный салат

Предположения:

$radius = 15 cm$средний радиус капусты

$density = 362 kg/m^3$насыпная плотность капусты

$molar mass = 18,02 g$молярная масса воды (много воды, растительной массы и воздуха, поэтому в сумме должно получиться вода)

Время охлаждения:

$ca. 900 s = 15 min$

Яблоко, помидор и фрукты

Даже когда растения мертвы, семена можно спасти, чтобы вырастить следующее поколение.

Предположения:

$radius = 5,3 cm$средний радиус яблока

$density = 740 kg/m^3$плотность яблок

$molar mass = 18,02 g$молярная масса воды (много воды, растительной массы и воздуха, поэтому в сумме должно получиться вода)

Время охлаждения:

$ca. 660 s = 11 min$

Саженцы и бутоны

Я предполагаю, что имею дело с примерно сферическим саженцем, то есть очень молодым.

Предположения:

$radius = 0.1 cm$средний радиус рассады

$density = 600 kg/m^3$средняя плотность листьев

$molar mass = 25 g$молярная масса воды плюс ок. 7 г

Время охлаждения:

$ca. 7,3 s$

листья

Предположения:

$thickness = 0.1 mm$средняя толщина листа

$density = 600 kg/m^3$средняя плотность листьев

$specific heat = 1,76 J/g*K$значение для дерева, но я не мог найти ничего лучше (я не уверен, что более высокое содержание воды в листе увеличит время охлаждения или разница в материале ухудшит его).

Время охлаждения:

$ca. 7 s$

Другие тепловые факторы

Не все растения погибнут с одинаковой скоростью, и мои расчеты просто показывают, когда начнутся повреждения от заморозков. Листья, саженцы и бутоны достигают 257 К (-20 С) примерно через 15 с. Я предполагаю, что это точка невозврата в отношении ущерба. Имейте в виду, что корни и стволы могут прожить намного дольше, первые, потому что они закопаны (при условии, что в теплице используется грязь вместо воды, богатой питательными веществами, что ухудшит положение корней (см. Испарительное охлаждение [6])) и второе. потому что они толще. Тем не менее, некоторые растения могут быть достаточно удачливы, чтобы быть сохраненными в 2-5 раз больше предела, я думаю. Кроме того, я предположил, что растения могут свободно излучать тепло. На самом деле растения и структура будут излучать тепло друг на друга, и, поскольку лунная база будет изолирована, потеря тепла может занять некоторое время. Это может увеличить временную шкалу на несколько порядков. Включенные тепловые лампы, свет и радиаторы также противодействуют потерям тепла, потенциально делая тепловое повреждение маловероятным/невозможным.

Так что, если растения не окажутся за пределами теплицы или крыша не сорвется от замерзания, кажется, что это не проблема.

Заключение

Имейте в виду, что температура не будет единственным источником повреждений. Декомпрессия будет иметь последствия, в зависимости от ее скорости, а само воздействие вакуума будет болезненным из-за испарения. В этом эксперименте [7] растения (редька, салат и пшеница) подвергались воздействию давления 0,015 атм в течение 30 мин. Они немного увяли из-за обезвоживания, но потом хорошо выросли.

Так что вакуум, похоже, не сильно беспокоит растения, и ваши колонисты не торопятся восстанавливать теплицу.

Это разочаровывающе антиклиматично...

[1] https://en.m.wikipedia.org/wiki/Конвекция

[2] https://en.m.wikipedia.org/wiki/Теплопроводность

[3] https://en.m.wikipedia.org/wiki/Radiative_cooling

[4] http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/cootime.html

[5] http://mc-computing.com/science_facts/RadiationBalance/CoolingCalc.html

[6] https://en.m.wikipedia.org/wiki/Evaporative_cooler

[7] https://www.google.com/amp/s/www.newscientist.com/article/mg20927953-500-vacuum-of-space-no-match-for-the-mighty-radish/amp/

[8] http://www.just4growers.com/stream/temperature-humidity-and-c02/understanding-the-optimum-temperature-for-plants.aspx

У растений проблемы, но точное количество времени, которое у них есть, зависит от многих факторов.

Основной проблемой, с которой столкнутся ваши растения, будет испарение. Это не только обезвоживает их, но и замораживает. Растения пористые. Они покрыты маленькими отверстиями, называемыми устьицами, которые позволяют им дышать, но также выпускают воду. Температура кипения воды зависит от атмосферного давления. В вакууме вода кипит даже при 0 градусов по Цельсию, при которой она замерзает. Потому что, когда вода испаряется, она забирает с собой тепло, жидкая вода, оставленная в вакууме, будет непрерывно кипеть, пока оставшаяся вода не опустится ниже 0°С и не замерзнет. Растения — это просто пористые мешочки с водой, поэтому с ними произойдет то же самое, хотя и немного медленнее.

Интересно, что у нас есть довольно хорошие оценки того, сколько времени это займет, потому что вакуумное охлаждение часто используется для быстрого охлаждения продуктов. Для листьев требуется всего пара минут сильного вакуума, чтобы они замерзли, в то время как для более толстых частей растения это может занять около 30 минут.

Таким образом, основным фактором, определяющим, насколько быстро ваши растения замерзнут, является степень серьезности декомпрессии. Если растения немедленно погрузить в вакуум, у них будет всего несколько минут, но если это более медленная утечка, они могут длиться часами.

Что касается радиационного нагрева и охлаждения, нам необходимо принять во внимание еще один фактор: день на Луне или ночь. Температура поверхности Луны днем ​​может достигать более 100°С, а ночью она опускается ниже -150°С. Это означает, что лунную оранжерею нужно будет охлаждать днем ​​и нагревать ночью. Если ваша декомпрессия происходит днем, возможно, солнечное тепло поможет предотвратить замерзание от испарения. Если это произойдет ночью, они замерзнут несколько быстрее.