在零下270℃左右的太空中,为何空间站还要向外“散热”?

2021-12-06 07:00:08 你好科普菌

随着人类科技的发展,人们不再满足于将拓展的脚步局限于地球上的海陆空,进而向太空这一片未知广袤的领域进行探索。

从一开始的各类无人探测器到后来的载人火箭飞船,人类航天事业的崛起促进了人们对于宇宙的认知和研究,了解到如此广袤的宇宙之中,弥漫着辐射磁场,以某种奇妙规律运行的数不清的天体和星云尘埃。

宇宙空间则以真空为主,没有氧气,也没有引力;且温度极其寒冷,通常为零下270摄氏度左右。这样的环境完全不适宜人类的生存。如果人类在没有任何防护措施的情况下进入太空,会因极度缺氧导致神志不清,同时血液失压沸腾,完全失去行动能力,即刻暴毙而亡。

人类航天

而且在脱离地球大气层的保护之后,人体还会遭到各类宇宙射线和辐射的袭击,对人体造成毁灭性打击。但是这些困难阻挡不了人类亲自探索太空的脚步。

为了应对太空的恶劣环境,航天科学家发明出了特制的防护宇航服,以保护宇航员不受太空射线的侵袭,同时为宇航员提供氧气,维持温度。但是宇航服远远不能够满足人类探索太空的需求。穿上宇航服之后,虽然人身安危得到了保障,但是因为太空之中没有重力,宇航员行动会变得极其困难,导致很多太空科研项目都难以进行。

特制宇航服

为了使宇航员能够更方便快捷且更长时间地在太空环境之中进行科学实验,人们又设计了空间站这一为宇航员提供工作研究和生活的大型载人航天器。空间站采用封闭式设计来保证空间站内部环境的稳定,拥有强大的水气循环系统和温度控制系统以及供氧系统。

值得注意的是,在太空零下270℃左右的寒冷环境里,空间站不但没有担心低温问题,还需要源源不断地向外“散热”,真是令人匪夷所思,这是怎么一回事呢?

空间站

分子热运动

首先,要了解冷与热这两个概念,我们就要先知道温度最本质的分子热运动是怎么一回事。

要知道,物体其实都是由分子、原子、离子构成。在微观世界里,这些分子其实时刻都在产生无规则的运动和扩散,譬如将一块金片和一块铅片贴在一起,在五年后会发现金片和铅片相互渗透一毫米。

分子热运动就基于分子的扩散现象而产生,温度的冷热与分子热运动也离不开干系,温度越高,分子运动越剧烈,反之温度越低,分子运动越微弱。

分子热运动模拟图

且分子热运动可以在固体液体和气体间任意进行,从分子的间隙来看,气体>液体>固体。因此,气体相比固体更容易产生分子热运动,温度也就越高。

而水的三种形态也是印证分子热运动的显著例子,水蒸气的温度最高,液体其次,而固体的水则为冰,直观感受上最冷。所以,温度也体现了物体分子间的动能,因此温度离不开物质的传播,没有物质就不存在温度。

温度与分子运动的关系示意图

地球温度和太空温度造成差异的原因

要知道,地球的温度来源于太阳这颗熊熊燃烧的火炉。而地球本身就是一团巨大的物质,基于此,在受到太阳辐射和热传导、热对流的影响下,地球上时时刻刻都在发生形形色色的分子运动,因此也就会产生各种各样的温度。

与此同时,地球又凭借着厚厚的大气层防护,和高速流动的风,将多余的热辐射和宇宙射线给过滤和扩散掉,便形成了适宜我们人类居住和生存的温度环境。

在太阳系的其它行星之中,也并不是每个星球都能有大气层的保护和空气这种介质来传递热量。

地球大气层

譬如水星这颗蓝色星球,既没有空气也没有大气层,因此昼夜温差能高达六百摄氏度。而在金星上面,由于大气过于稠密,产生了很严重的温室效应。且温差很小也导致了金星上面无时无刻都处于一个极端的高达几百摄氏度的高温环境里面,如同一座炼狱星球。

但是在“一无所有”的太空环境里,由于过于广袤和空旷,其空间密度极其稀薄,平均一立方米空间内只有一个原子。

人类观测到的水星

分子与分子之间的距离隔了千山万水的距离,构不成所谓的介质和物质,因此几乎无法产生分子的摩擦运动和能量传递,也就不会有温度的存在。简而言之,在真空里的热量无法传递

所以,太空的温度才会如此寒冷。举个形象的例子,保温杯之所以能隔热保温,也就是因为在它的外层夹层采用了抽真空的方式,有效阻隔了热量的散发和传播,因此热量很难丧失,始终如一地逼近传说中“绝对零度”的范畴。

太空属于真空环境

绝对零度

绝对零度,即零下273.15摄氏度,是目前所认为的低温极限,在这个温度里,所有的分子热运动都会停止,是一个只能无限逼近不能真正达到的最低温度。而我们所说的宇宙空间就已经无限接近于这个绝对零度,目前已经达到了零下270.15摄氏度左右,仅仅比绝对零度高三度,是目前宇宙已知范围内的最低温度。

据科学家研究发现,这个温度可能是亿万年前宇宙大爆炸在宇宙空间留下的热辐射余温。目前在太阳系里,仅天王星和冥王星以及土卫六能达到零下200摄氏度“冰冻星球”的程度。

绝对零度主题图片

在极度低温的世界里,空气会在负190摄氏度变成浅蓝色液体,鸡蛋会变成可弹跳的荧光蓝小球,花朵金鱼也会变成易碎的玻璃质地。而绝对零度的世界会变成怎样,我们就不得而知了。

但是根据理论上来说,在绝对零度时,分子的运动会完全趋近于停止,那么也就相当于宇宙之中所有的运动都停止,时间被按下了暂停键,整个世界都变得寒冷而静止。所以,当人类在温度逼近绝对零度的宇宙空间之中建造空间站时,难道重点不是该放在如何取暖防寒吗?为什么还要不停地向外散热呢?

宇宙温度更靠近绝对零度

空间站为什么要散热?

显而易见,空间站本身也是由物质构成的,而物质又是由分子构成的,所以根据分子热动力的原理,太阳的热量会传递到空间站本身。

由于宇宙之中没有大气来对空间站进行防护,因此空间站被太阳照射的一面会急剧升温,甚至达到一百二十摄氏度的高温。而没被太阳照射的那一面又会降为零下一百四十摄氏度左右的低温,两面温差高达两百多度。除此之外,空间站每天还要经历十六次日出日落,温度变化如同坐过山车一样。

同时,由于太空之中没有任何介质可以用来传递热量,因此空间站接受到的温度无法通过热传递来损失热量。

空间站

它只能通过热辐射的方式来达到自然散热的目的,但是热辐射的速率十分缓慢,消耗的热量比不上空间站自身增加的热量。

因此,空间站等于随时在遭受极端的冰火夹击,所以对于空间站来说,维持恒温和调节温度就至关重要,而“散热”自然也是这个温度调节的环节里至关重要的部分。通过及时散热才能应对高温部分对于空间站的侵袭损坏,从而保证我们的宇航员在空间站内的人身安全,以确保航天科研工作的顺利开展。

空间站

空间站如何恒温散热?

以历史悠久的国际空间站为例,国际空间站设有主动热控制系统通过主衍架结构上的液氨冷却液环路输送冷却液,来达到给太阳能电池板降温的目的。冷却液液氨吸收完热量后,再从外部管道循环将吸收的热量带到光伏散热板块给散发出去,以维持太阳能电池板的正常温度,让太阳能电池板不会过热或者过冷。

之所以使用液氨来帮助冷却,是因为液氨的冻结温度在零下77摄氏度左右,不容易凝固,能达到更好的恒温散热效果。

同时,整个空间站还使用一种高反射率的多层隔热材料覆盖,以降低表面温差,让太阳照射那一面得到充分散热的同时又能给太阳背阴面保暖,使得内部仪器能在合适的温度保障下正常工作。

空间站有很多太阳能电池板

在宇航员随时穿着的航天服上,散热系统的设计也同样重要,在EMU系列航天服的设计里,通常会在贴身的那一层上设计一套水蒸发系统。其用吸收汗液的方式来保持身体干燥并维持宇航员的正常体温。

整个循环系统先是将吸收的热量输出到交换器中,在交换器里,衣服上的水循环系统所储的水被输出到一块带有微型小孔的镍板上。镍板表面会迅速结出一层薄冰,但同时因其受到太空低压环境的影响,冰层受热后又会转换成水蒸气并离开太空服。

在水蒸发的过程中就会带走多余的热量,以达到防寒保暖的效果,保护宇航员能够在太空的特殊环境下正常工作。

宇航员的宇航服上有一个水蒸发系统

总结

所以说,太空这样极端低温和极端高温相交杂的环境是居住在地球上的人类难以想象的。

尽管我们人类在航天建设之中已经想了足够多的办法来应对这种极端温度条件,但极端温度和恶劣环境还是不可避免地会对我们人类探索太空的脚步造成一定阻碍。

不过,探索太空的未来前景还是十分具有重要意义的,希望随着人们科技的不断进步和发展,我们能逐渐解决航天过程中的各项难题。并在了解到宇宙真理的同时对宇宙资源进行合理的开发利用,到那个时候,星际移民或许也能成为现实,人类文明和智慧将会通过宇宙再上一个新的台阶。

人类仍然在积极地探索着太空

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