A világűr hidege…

Az ókori görög monda szerint Daidalosz fia, Ikarosz a saját maga készítette szárnyakkal menekült a király haragja elől, de túl közel került a Naphoz, így a tollakat rögzítő viasz megolvadt a szárnyakon, és Ikarosz lezuhant. Vajon a világűr Nap közeli részén jóval magasabb-e a hőmérséklet, mint amit egy ember el tud viselni?

Sokan vannak, akik azt hiszik, hogy a világűrben -273 Celsius fok, vagyis az abszolút nulla fok a hőmérséklet. Ez a téves nézet biztosan onnan eredeztethető, hogy a repülőgépekkel történő utazás során az utasok is azt látják, hogy minél magasabbra emelkednek, annál hidegebb lesz. A tapasztalat szerint a csökkenés mértéke kilométerenként hozzávetőleg 6 °C.

A régi, még nyitott repülőgépekkel repülő pilótáknak a hideg elleni védekezésül nagyon komoly védőfelszerelést kellett alkalmazniuk. A tapasztalat tehát az, hogy minél magasabban vagyunk, annál hidegebb van, így nem is csoda, hogy az emberek azt a következtetést vonják le, hogy a világűrben lehet a leghidegebb.

Mi is a meleg?

Minden test nagyon kicsi alkotóelemekből, atomokból, molekulákból áll. Ezek az apró részecskék állandó mozgásban vannak. Ha növeljük az anyag hőmérsékletét, akkor ezeknek az apró részecskéknek a mozgási sebessége megnő. Ha csökken a hőmérséklet, akkor a részecskék hőmozgása is csökken. A hőmérsékletet így a molekulák mozgása jellemzi.

Ha egy test minden molekulája teljes nyugalomba kerül, akkor az ehhez tartozó hőmérsékletet abszolút nulla foknak nevezzük. A mindennapi életben használt hőmérsékleti skálán ez a -273,16 °C-ot jelenti. A fenti okfejtés miatt az is nyilvánvaló, hogy ennél alacsonyabb hőmérséklet nem lehetséges.

A hőmérséklet tehát nem egyéb, mint valamely test részecskéinek hőmozgására, termikus állapotára vonatkozó mérték.

Hideg-e a világűr?

Annak ellenére hogy a nevében benne van az űr, a világűr sem teljesen üres. Apró porszemcsék, molekulák és atomok mindenhol jelen lehetnek, de a sűrűség így is olyan kicsi, hogy ilyet a legjobb földi laboratóriumokban sem lehet előállítani. A világűrt 2,7 K hőmérsékletű kozmikus háttérsugárzás tölti be, amely az ősrobbanás egyik fontos következménye.

Ha egy térnek, így a világűrnek önmagában nincs hőmérséklete, nem nevezhetjük sem melegnek, sem hidegnek, mert – az anyagi testektől eltérően – nem áll részecskékből.

Így tévedés a világűr hőmérsékletéről beszélni, vagyis annak sincs értelme, hogy hideg világűrről beszéljünk.

Milyen hőmérsékletet vesz fel egy test a világűrben?

Ez a kérdés már megválaszolható, természetesen csak akkor, ha a testet az őt körülvevő, és vele kölcsönhatásban lévő környezetével együtt vizsgáljuk. Ez a kiterjesztés természetes, hiszen egy test nem önmagában létezik, hanem termikus kölcsönhatásban van a környezetével, hőt ad le neki, vagy hőt vesz fel tőle.

Ez a környezet sem a hétköznapi értelemben vett méretű, hiszen a világűrben lévő égitestek sok millió kilométer távolságból is fejtenek ki hatást egymásra.

Az űrben uralkodó körülmények messze meghaladják mindazt, amit a Földön tapasztalunk. A vákuum, a szélsőséges hőmérséklet-ingadozások, a kozmikus sugárzás és a mikrometeoritok folyamatos fenyegetést jelentenek az űreszközök számára. Ezen kihívások leküzdésére fejlesztették ki a termikus takarókat, amelyek elsődleges feladata a hőmérséklet stabilizálása az űreszközök belsejében.

Ez a stabilitás alapvető fontosságú az elektronikai alkatrészek, az üzemanyagrendszerek és a tudományos műszerek optimális működéséhez. A passzív hőszabályozás ezen formája kulcsfontosságú szerepet játszik abban, hogy a több milliárd dolláros beruházások, mint például az űrteleszkópok vagy a bolygóközi szondák, évtizedekig megbízhatóan működhessenek.

Hogyan hat egymásra egy test és a környezete?

A hő(energia) átadása háromféleképpen történhet. A hő egy adott testen belül részecskéről részecskére terjed, vagy szabadon elmozdulni képes részecskék vihetik magukkal. Az elsőre jó példa a forró teába tett kanál felmelegedése, míg a másodikra a fűtési rendszerben keringő meleg víz.

A levegő is képes hőt átadni, és hőt felvenni. A levegő sűrűsége tengerszinten és 15 °C-on 1,23 kg/m³. Minél magasabbra emelkedünk, annál inkább csökken a részecskék száma, és így a közvetlen hőátadás lehetősége is. Mivel kb. 15 km magasságban a levegő sűrűsége tizedére csökken, így 25 km magasságban már a hőátadás ezen formája is számottevően csökken, és nagyjából 40 km magasan meg is szűnik.

A világűrben a hőenergia átadása csaknem kizárólag hősugárzással történik. Ennek a hősugárzásnak a forrása a Nap, amely elképzelhetetlen mennyiségű energiát ad át a környezetének. Az energiaátadás ezen formája elektromágneses hullám, nincs szükség semmilyen hordozó közegre!

A testek nem képesek teljes mértékben elnyelni a rájuk eső napsugárzást. Néhány test képes átereszteni pl. a sugárzás látható tartományát. Ilyen pl. az üveg. A sugárzás egy része visszaverődik, a visszaverődés mértéke függ a test felületétől, és színétől is. Köztudott, hogy a világos, és sima felületek nagymértékben, míg a sötét, és durva felületek csak kis százalékban verik vissza.

A testek nem csak felvesznek hőt, hanem ki is sugározzák azt. A sugárzás mértéke az abszolút hőmérséklet (Kelvin fokokban mérjük) negyedik hatványával növekszik (abszolút fekete test esetén). Ha egy test hőmérséklete kétszeresére nő, akkor az általa kibocsátott hősugárzás 2⁴-szeresére, azaz tizenhatszorosára nő. (Ez a Stefan-Boltzmann-törvény.)

Mi történik egy űrhajó esetében?

Attól függ, milyen pályán halad. A napos oldala felmelegszik, és minden irányban hőt sugároz ki. Előfordulhat, hogy egy folyamatosan megvilágított hajónak több hűtésre van szüksége, mint fűtésre. Egy bizonyos hőmérsékletnél a felvett energia éppen megegyezik a kisugárzott energiamennyiséggel, az űrjármű ekkor egyensúlyi állapotba kerül, és azt meg is tartja. A hőmérséklete tehát stabil.

A passzív hűtési módszerek a legegyszerűbbek és legmegbízhatóbbak. Ezek az eljárások nem igényelnek külső energiát, és az űreszközök tervezésekor építik be őket.

• 

  Többrétegű szigetelés (MLI): Képzeld el egy hatalmas, csillogó fóliába csomagolt szendvicset! Az MLI lényegében ezt teszi. Több réteg vékony, fényvisszaverő anyagot használ, amelyek között vákuum van. Ez minimalizálja a hőátadást sugárzás és vezetés útján. Olyan, mintha egy űrbéli termosz lenne.

• Felületkezelés: A felületek festése vagy bevonatolása is fontos szerepet játszik. A fehér festék például jól visszaveri a napfényt, míg a sötét felületek jobban sugározzák a hőt. A megfelelő bevonattal optimalizálható a hőmérséklet.
• Hőcsövek (Heat Pipe): Ezek a zárt csövek hővezető folyadékot tartalmaznak. A meleg részeknél a folyadék elpárolog, elszállítva a hőt a hidegebb részekhez, ahol kondenzálódik és leadja a hőt. Ez egy passzív, de nagyon hatékony hőelosztó rendszer.

Bizonyos esetekben, például nagyteljesítményű elektronikai berendezéseknél vagy hőérzékeny műszereknél a passzív módszerek nem elegendőek. Ekkor jönnek képbe az aktív hűtési rendszerek, amelyek energiát igényelnek a működésükhöz.

• • Folyadékhűtési rendszerek: Hasonlóak az autók hűtőrendszeréhez. Egy folyadékot (például vizet vagy speciális hűtőközeget) keringetnek az eszközökön keresztül, elszállítva a hőt. A felmelegedett folyadékot ezután egy radiátorhoz (hűtőlemez) vezetik, ahol a hőt kisugározzák az űrbe.
  • Termoelektromos hűtők (TEC): Ezek a szilárdtest eszközök a Peltier-effektust használják. Amikor áramot vezetnek át rajtuk, az egyik oldaluk lehűl, a másik pedig felmelegszik. Bár nem túl hatékonyak nagy hőmennyiségek elvezetésére, kiválóan alkalmasak precíziós hőmérséklet-szabályozásra.
  • Hőcsöves hűtőlemezek (Heat Pipe Radiators): A folyadékhűtés és a hőcsövek kombinációja. A hőcsövek hatékonyan szállítják a hőt a hűtőlemez felületére, ahol az kisugárzódik az űrbe.