Чтобы выжить на Луне, где перепады составляют 250°С, необходимо поддерживать внутри станции постоянную температуру. Это предлагают сделать с помощью материалов с фазовым переходом. Они способны поглощать большое количество энергии, а затем отдавать ее при похолодании.
Необходимость стабилизации температуры в помещениях
В космосе, где нет атмосферы с ее огромной теплоемкостью, предметы могут нагреваться и охлаждаться очень быстро. Например, температура на Луне может колебаться от 121°C в течение лунного «дня» (который длится две недели), а затем падать до -133°C ночью, охватывая колебания в 250°C.
Стабилизация температуры внутри среды обитания в таких условиях потребовала бы нагревания и охлаждения в масштабах, которые никогда ранее не проводились на Земле. Но что если бы существовал способ облегчить тяготы таких температурных колебаний? Материалы с изменением фазы могут быть ответом на этот вопрос, как утверждают исследователи из Мадридского политехнического университета в статье, опубликованной в журнале Thermo.
Материалы со сменой фазы, то есть такие, которые в процессе поглощения тепла переходят из твердого состояния в жидкое, известны уже давно и в настоящее время используются в нескольких отраслях промышленности, включая аккумуляторы, солнечные электростанции, тепловые насосы и даже космические аппараты. Пожалуй, самое интересное, что они используются для охлаждения и обогрева интерьеров зданий на Земле.
Как функционируют фазосменные материалы?
Фазосменные материалы поглощают тепло в жаркие периоды суток (дня или сезона) и излучают его в более прохладные периоды. Они действуют как гигантский тепловой «аккумулятор», из-за чего нагрев или охлаждение длится дольше, а также обеспечивают изоляцию всего, что их окружает.
Другой способ представить это — через концепцию тепловой инерции. Когда объект, например, здание, находится на солнце, на него непосредственно воздействуют солнечные лучи, что приводит к нагреву. С другой стороны, если объект больше не находится на солнце, но все еще содержит много тепловой энергии, он начнет излучать часть этого тепла. В пылесосах лучевая энергия передается через инфракрасный свет, как в космосе.
Материалы со сменой фазы имеют такую большую тепловую инерцию, потому что они либо поглощают, либо излучают много энергии при переходе между фазами, например, между твердой и жидкой или жидкостью и газом. Изменять температуру в объектах, построенных с использованием таких материалов, гораздо сложнее, и этот вызов может облегчить регулирование температуры внутри космической среды обитания. Исследователи смоделировали, что произойдет, если построить космическое жилье из материалов, проходящих через смену фаз, и обнаружили значительное уменьшение отопления и охлаждения, необходимых для поддержания комфортного для человека температурного диапазона.
В расчет были включены и другие факторы, такие как отражательная способность внешней поверхности стены и часть солнечного цикла, которую переживает наше светило. Однако авторы обнаружили, что при оптимальных условиях можно полностью пассивно обогревать и охлаждать космическую среду обитания, используя только материалы со сменой фазы.
Перспективы применения фазосменных материалов в космосе
Это довольно впечатляющее достижение, хотя оптимальные условия вряд ли когда-либо будут достигнуты на практике. Тем не менее любая экономия энергии, которую могут обеспечить материалы, будет приветствоваться в среде обитания, которая, вероятно, будет испытывать энергетический голод, когда оно начнется. Однако существует много разных идей относительно того, как следует строить такие места обитания, в том числе с использованием реголита на Луне.
Непонятно, насколько возможно встраивать новые материалы в стены пещер или другие конструкции из местных материалов. Запуск огромного количества композитов, необходимых для термоконтроля огромного человеческого жилья, при нынешних ценах также может оказаться слишком дорогим удовольствием.
Однако материалы продолжают совершенствоваться, и есть очевидные преимущества использования этих материалов в этом контексте. Хотя они, возможно, не будут интегрированы в некоторые из ранних сред обитания, которые человечество строит в космосе, они, несомненно, будут использоваться в будущих, и эта статья является одним из шагов к этому.
По материалам phys.org
