Для того, аби вижити на Місяці, де перепади складають 250°С, необхідно підтримувати всередині станції постійну температуру. Це пропонують зробити за допомогою матеріалів із фазовим переходом. Вони здатні поглинати велику кількість енергії, а потім віддавати її під час похолодання.
Необхідність стабілізації температури у приміщеннях
У космосі, де немає атмосфери з її велетенською теплоємністю, предмети можуть нагріватися та охолоджуватися дуже швидко. Наприклад, температура на Місяці може коливатися від 121°C впродовж місячного «дня» (який триває два тижні), а потім падати до -133°C вночі, охоплюючи коливання в 250°C.
Стабілізація температури всередині середовища проживання в таких умовах вимагала б нагрівання та охолодження в масштабах, які ніколи раніше не проводилися на Землі. Але що якби існував спосіб полегшити тягар таких температурних коливань? Матеріали зі зміною фази можуть відповісти на це запитання, як стверджують дослідники з Мадридського політехнічного університету в статті, опублікованій у журналі Thermo.
Матеріали зі зміною фази, тобто такі, які в процесі поглинання тепла переходять з твердого стану в рідкий, відомі вже давно і наразі використовуються в кількох галузях промисловості, включаючи акумулятори, сонячні електростанції, теплові насоси й навіть космічні апарати. Мабуть, найцікавіше, що вони використовуються для охолодження та обігріву інтер’єрів будівель на Землі.
Як функціонують фазозмінні матеріали?
Фазозмінні матеріали поглинають тепло в спекотні періоди доби (дня або сезону) і випромінюють його в прохолодніші періоди. Вони діють як гігантський тепловий «акумулятор», через що нагрівання або охолодження триває довше, а також забезпечують ізоляцію всього, що їх оточує.
Інший спосіб уявити це — через концепцію теплової інерції. Коли об’єкт, наприклад, будівля, розташований на сонці, на нього безпосередньо впливають сонячні промені, що призводить до нагрівання. З іншого боку, якщо об’єкт більше не перебуває на сонці, але все ще містить багато теплової енергії, він почне випромінювати частину цього тепла. У пилотягах променева енергія передається через інфрачервоне світло, як у космосі.
Матеріали зі зміною фази мають таку велику теплову інерцію, бо вони або поглинають, або випромінюють багато енергії при переході між фазами, наприклад, між твердою і рідкою чи рідиною і газом. Змінювати температуру в об’єктах, побудованих із використанням таких матеріалів, набагато складніше, і цей виклик може полегшити регулювання температури всередині космічного середовища проживання. Дослідники змоделювали, що станеться, якщо побудувати космічне житло з матеріалів, що проходять через зміну фаз, і виявили значне зменшення опалення та охолодження, необхідних для підтримання комфортного для людини температурного діапазону.
У розрахунок були включені й інші фактори, такі як відбивна здатність зовнішньої поверхні стіни та частина сонячного циклу, яку переживає наше світило. Однак автори виявили, що за оптимальних умов можна повністю пасивно обігрівати та охолоджувати космічне середовище проживання, використовуючи лише матеріали зі зміною фази.
Перспективи застосування фазозмінних матеріалів у космосі
Це досить цікаве досягнення, хоча оптимальні умови навряд чи коли-небудь будуть досягнуті на практиці. Проте будь-яка економія енергії, яку можуть забезпечити матеріали, буде вітатися в середовищі проживання, яке, ймовірно, відчуватиме енергетичний голод, коли воно почнеться. Однак існує багато різних ідей щодо того, як варто будувати такі місця проживання, зокрема з використанням реголіту на Місяці.
Незрозуміло, наскільки можливо вбудовувати нові матеріали у стіни печер або інші конструкції з місцевих матеріалів. Запуск величезної кількості композитів, необхідних для термоконтролю величезного людського житла, за нинішніх цін також може виявитися надто дорогим задоволенням.
Проте матеріали продовжують вдосконалюватися, і є очевидні переваги використання цих матеріалів у цьому контексті. Хоча вони, можливо, не будуть інтегровані в деякі з ранніх середовищ існування, які людство будує в космосі, вони, безсумнівно, використовуватимуться у майбутніх, і ця стаття є одним із кроків до цього.
За матеріалами phys.org
