El metabolismo de un ser humano libera continuamente entre 50 y 100 vatios de calor, y puede liberar significativamente más por la actividad física.
El calor (energía) nunca se “crea” o “destruye”, se mueve de un lugar a otro de manera predecible. Siempre se mueve de un lugar cálido a un lugar fresco. La ciencia de estudiar cómo se mueve la energía térmica se llama termodinámica.
El calor puede moverse de tres maneras. Radiación, convección y conducción.
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La conducción es “calor que se mueve a través de un objeto”. Puede observar este efecto colocando una varilla de metal caliente en un cubo de agua helada. Con el tiempo sentirás que el calor se mueve de la barra al hielo. La varilla se sentirá más fría y el hielo se calentará un poco.
La convección es “calor que se mueve por las corrientes en el líquido o el aire”. Puede sentir esto al sentir el aire caliente que sale de un calentador o al observar las corrientes crecientes en una sopa de miso muy caliente.
La radiación es “calor movido por la luz, generalmente luz infrarroja”. Puedes sentir esto colocando tu mano debajo de una lámpara de calor.
Para mantener caliente a un ser humano en un lugar frío, debe evitar perder más calor del que genera. Lo hace con una capa a prueba de viento que ayuda a prevenir la pérdida de calor por convección, usa materiales aislantes que conducen mal el calor y, a veces, usa una capa brillante que refleja la luz infrarroja radiada / calor a la persona.
Mantener a una persona caliente es el proceso relativamente simple de mantener el calor adentro.
Mantener a una persona fresca requiere que alejes el calor de la persona más rápido de lo que puede generarlo y más rápido de lo que lo absorbe del medio ambiente.
En el espacio, no estás tocando nada, por lo que no puedes mover el calor por conducción.
En el espacio, no hay corrientes de aire o agua, por lo que no puede mover el calor por convección.
En el espacio, la única forma de mover el calor es mediante radiación, así que profundicemos más en eso.
La pérdida de calor por radiación se describe en la ley de Stefan-Boltzmann. En general, dice que el calor irradiado desde un objeto es igual a la superficie en metros multiplicado por 0,000 000 02 veces la temperatura (en kelvin) a la cuarta potencia.
E = (área de superficie) * (0.000 000 02) * (t ^ 4)
La superficie de un humano es de aproximadamente 2 metros cuadrados. La temperatura corporal de un humano es de aproximadamente 300 grados Kelvin, por lo que un humano pierde aproximadamente 300 vatios de energía continuamente por radiación. Eso debería ser suficiente para mantenerlos frescos en el espacio y lo es, si están a la sombra.
La parte “a la sombra” es lo que hace que enfriar una nave espacial sea muy difícil. A la distancia de la Tierra del sol, los objetos reciben alrededor de 1300 vatios por metro cuadrado de energía como radiación del sol.
Para mantener un objeto fresco, tiene un par de opciones:
- Refleja la radiación del sol lejos.
- Encuentre una manera de irradiar aún más calor.
Hemos usado ambas opciones en el espacio. Aquí hay una foto del Skylab. Utiliza la Opción 1. La cosa brillante y dorada y arrugada es un parasol que refleja la radiación solar lejos de la estación.
La otra opción es encontrar una manera de irradiar más calor al espacio. Usamos esto en la ISS. Así es como funciona.
¿Recuerdas la ley de Stefan-Boltzmann? La energía radiada aumenta a medida que la cuarta potencia de la temperatura. Duplicar la temperatura será doble doble doble doble el calor irradiado. (Aumentará 16 veces). La ISS usa esto para aumentar radicalmente la cantidad de calor que puede irradiar. Funciona como un refrigerador, acumulando calor desde el interior de la estación a temperaturas humanas, luego utiliza algunas propiedades especiales de los gases para concentrar el calor a una temperatura mucho más alta antes de bombearlo hacia los “radiadores”.
Los paneles blancos en zigzag en esta imagen son los radiadores de calor ISS.
(Crédito de la imagen: Nasa. Foto tomada de la misión de transbordador STS-124)
Una descripción general de cómo están disponibles los sistemas de gestión de calor ISS aquí: https://www.nasa.gov/pdf/473486main_iss_atcs_overview.pdf
Por último, pero no menos importante, en comparación, tengo que mostrarle cuánto más lento es mover el calor con radiación en el espacio versus convección, conducción y radiación en la atmósfera de la Tierra.
Mira todos los paneles blancos en la ISS. Esos son enormes, cada uno es tan largo como un autobús escolar. En total, combinados, pueden irradiar aproximadamente la misma cantidad de calor que uno o dos de los radiadores que se encuentran debajo del capó de un automóvil grande.
(crédito de la imagen: wikipedia).
