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太空温度接近绝对零度!为何空间站还特殊装置进行散热呢?
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2022.08.05 山东

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宇航员的太空服那么厚,是因为要御寒吗?如果宇宙的温度极低,为什么身处太空环境的空间站,不除寒保暖,却还需要特殊装置进行散热呢?

今天我们就来聊聊,宇宙的温度究竟有多低。

宇宙的温度

很久很久以前,地球还是一颗毫无生命可言的“大火球”,内部充满了岩浆。经过数十亿年的演变,地球有了水,大气和适宜的温度,才变得如此宜居。

诗云“春江水暖鸭先知”,可见温度总是潜移默化的改变,并无声无息地影响着地球的环境。

试想如果没有太阳,为我们提供足够的热量,可能地球会像冰蓝的天王星和海王星那样,只是一颗冰封的行星。

那太阳的热量,是怎样到达地球的呢?我们知道,热量地交换和传递,一般需要一定的介质。固体之间存在热传导,而液体和气体间往往是热对流。

其本质,都是通过分子运动实现的热能传递。

但是在太空中,空间广袤无垠,物质过于稀少,所以,环境接近真空。这就使得温度的传播和集散,需要通过热辐射的方式进行传导。

其过程是相当缓慢,所以太阳燃烧了数亿年后,地球才获得了足以诞生生命的光和热。

对地球上的人类而言,零下几十摄氏度已经是人类生存的极限,但是放到太空中,这简直不值一提。因为太空的温度,是接近绝对零度(-273.15摄氏度)的。

所谓绝对零度,就是指能够使理想气体停止分子运动的温度。

但是,这是一个相对理想的理论值,因为由于宇宙大爆炸产生了余温,使得宇宙的温度得到了一点点提升。所以准确地说,太空的温度应该是零下270.4度左右。

在如此冷酷的环境下,人类又是如何遨游太空,并在大气层外建立空间站,长期停留和生存的呢?

低温下运转的空间站

一天内,就能经历16次日出日落的空间站,在太空是如何运转的?空间站的运转会产生热量吗?

自从上世纪人造卫星上天后,人类对太空的探索活动,就频繁开展起来。

载人航天技术的发展,使得地球大气层外的人类活动得以实现。各国航空航天技术的内卷,使得人类迫切地想扩大各自在太空的影响力。

国际空间站应运而生。念及零下270.4度的宇宙低温,有人会问,不同于“短暂的”载人飞行,想要长久地在太空运行,一定要首先考虑如何克服宇宙低温吧?

其实相对于低温,其实空间站更怕的是高温!

这是因为,太阳的热辐射是源源不断的。即便是在大气层之外,我们也还是处在太阳系中,距离地球相对较近的位置内。

虽然当空间站漂浮于地球阴面,要面对零下157摄氏度的严寒。

但更多的时候,空间站还是要面朝太阳,接受高达121摄氏度的阳光洗礼。

由数以万计的零部件构成的空间站,工作运转时,就会产生大量的热量。但是因为太空中的热辐射效率很低,所以这些热量并不容易在真空状态下散发。

一旦温度得不到调节,空间站的设备就很有可能遭到损坏。

要知道,虽然温度有绝对零度的下限,但是却无明确的上限。也就是说,不光成百上千摄氏度的高温存在,而且几万几十万摄氏度的高温也不是不可能!

所以空间站不但要保温,更要想办法隔热,否则空间站可能随时面临空中解体的风险,宇航员们的生命安全,也会受到严重威胁!那空间站是怎样克服散热难题的呢?

空间站如何散热

太空那么冷,怎么国际空间站散热就如此困难?科学家又是利用什么方式,给空间站增加散热的呢?

其实想想带有真空夹层的保温饭桶,你就应该能明白其中的道理。表示物体冷热程度的温度,从物理角度说,就是分子或原子热运动的剧烈程度而已。

热量的传导必须是在有分子物质分布的空间内才能进行。

而保温桶的真空夹层,隔绝了内外热量传递的介质,所以分子运动停止或减少,从而达到了保温或保冷的效果。

所以反过来思考,吸收热量需要热传递、热对流和热辐射,散热的方法,便也是这三种。

为了对抗宇宙环境的冷热,科研人员将一种“多层隔热层”的高反射层,覆盖在空间站的外部,避免了过多太阳辐射的进入,和空间站飞入地球阴影后的相对低温。

除此之外,科学家还采取了更加主动的散热方式。

不同于电脑主板散热的小风扇,和汽车散热的水冷系统,因为太空中既没有空气,也没有水,所以科学家们便想到了,用加速热辐射的方式,依靠电磁波传递热量进行主动散热。

其具体做法是,在热辐射缓慢热量的同时,依靠舱体传导部分热量到阴面,并增加热对流。

同时,科学家还将冷却液流动管道,,安装在了空间站的内部。

当循环的冷却液,流经设备发热的位置时,便可以吸收并带走这些热量。然后,将其传送至空间站外部散热片上,再通过热辐射的方式,将热量传递到太空中。

那空间站的热量,又散到哪里去了呢?因为热量总是由温度高的地方,向温度低的地方传递,所以即便宇宙空间的物质存在确实十分稀少,接近真空,可也不是一点没有。

有科学家发现,在宇宙中除了已知存在质量的物质,还有近95%,是肉眼不可见的暗物质和暗能量。

这些物质和能量,是否也存在热量和能量的传导,我们尚且不得而知,但是密度差的存在,必然会令空间站散失的热辐射,最终会散失到宇宙空间内,以趋近于平均。

所以虽然宇宙中温度极低,但是空间站依然要在太空,做好散热工作。

地球之外,宇宙空间站的兴起,为我们提供了越来越多大气层外的信息,我们的宇宙探索之旅将不断前进。

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