Почему в космосе холодно, если Солнце нагревает объекты

Попытка сопоставить бытовой земной опыт с условиями околоземной орбиты часто приводит к путанице. В массовой культуре космос принято считать ледяной бездной, где всё замерзает за секунды. С другой стороны, по расчётам инженеров, солнечное излучение на расстоянии Земли способно нагреть обшивку космического аппарата до +120 °C и выше.

Возникает вопрос: почему в космосе фиксируют экстремально низкие температуры, если Солнце непрерывно отдаёт колоссальный объём энергии? Ответ кроется в разнице между температурой вещества и механизмами передачи тепла в условиях отсутствия воздуха.

Физика вакуума: у чего измеряют температуру

Главная ошибка — переносить свойства земной атмосферы на космический вакуум. На Земле мы чувствуем холод или тепло благодаря конвекции и теплопроводности: газы вокруг нас постоянно сталкиваются с кожей, передавая или забирая энергию.

Температура — это средняя кинетическая энергия хаотического движения частиц системы. В космическом вакууме частиц почти нет: средняя плотность межзвездного газа составляет всего несколько атомов на кубический сантиметр. Если в пространстве отсутствует вещество, то у самого пространства нет температуры в привычном понимании. Нельзя измерить энергию того, чего физически нет.

Когда исследователи говорят, что температура глубокого космоса составляет около 2,7 Кельвина (минус 270,45 °C), они имеют в виду не температуру вакуума, а спектральный состав реликтового излучения — затухающего эха Большого взрыва, которое равномерно заполняет Вселенную.

Если поместить нагретое тело в точку космоса, куда не доходит свет звезд, оно начнет остывать за счет теплового излучения (в инфракрасном диапазоне). Согласно закону Стефана — Больцмана, плотность этого излучения пропорциональна температуре тела в четвертой степени. Поэтому горячий объект сначала теряет тепло довольно быстро, но по мере остывания этот процесс замедляется, и финальное падение температуры до 2,7 Кельвина занимает много времени.

Три механизма теплообмена на орбите

В физике выделяют три способа переноса тепловой энергии:

• Теплопроводность — передача тепла при непосредственном контакте внутри твердых тел.
• Конвекция — перенос тепла потоками жидкости или газа.
• Излучение (радиационный перенос) — передача энергии в виде электромагнитных волн (фотонов).

В космосе теплопроводность и конвекция между объектами невозможны, так как нет материальной среды. Остается только излучение. Это создает сильный температурный контраст на космических аппаратах.

Когда спутник находится на орбите под прямыми солнечными лучами, он поглощает электромагнитные волны (солнечная постоянная возле Земли составляет около 1361 Вт на квадратный метр). Набегающий поток энергии нагревает освещенную сторону. В то же время теневая сторона объекта излучает собственное инфракрасное тепло в пустоту. В результате на расстоянии всего нескольких сантиметров обшивки возникает перепад температур: от +120 °C на солнце до -150 °C в тени.

Проблема перегрева МКС

Из-за таких условий инженеры Международной космической станции сталкиваются с неочевидной задачей. Основная проблема МКС — не согреть экипаж, а избавиться от избыточного внутреннего тепла.

Станция защищена экранно-вакуумной теплоизоляцией (ЭВТИ), которая состоит из десятков слоев металлизированной пленки. Она работает по принципу термоса: отражает внешнее солнечное излучение и не дает внутреннему теплу уходить наружу. При этом внутри станции постоянно работают приборы, выделяют тепло тела людей и системы жизнеобеспечения. Все это тепло остается запертым внутри гермообъемов.

Внутри модулей есть воздух под давлением в 1 атмосферу, но из-за невесомости там отсутствует естественная конвекция — теплый воздух не поднимается вверх, так как нет силы тяжести. Без постоянной работы вентиляторов электроника быстро сгорела бы от локального перегрева, а экипаж столкнулся бы с нехваткой кислорода возле лица. Поскольку естественного отвода тепла через обшивку нет, станцию необходимо охлаждать принудительно.

Как устроена система терморегулирования

Сбросить тепло в вакуум можно только одним путем — превратив его в инфракрасное излучение. Для этого требуются радиаторы большой площади. На МКС за это отвечает активная система терморегулирования, разделенная на два контура:

1. Внутренний водяной контур. Внутри жилых модулей тепло снимается с приборов и воздушных теплообменников с помощью очищенной воды с антибактериальными добавками. Вода выбрана из соображений безопасности: в случае утечки она не отравит экипаж. Водяные насосы прокачивают жидкость через металлические плиты, на которых установлена электроника.
2. Внешний аммиачный контур. Вода циркулирует только внутри станции. Через титановые теплообменники она передает собранное тепло внешнему контуру, который расположен снаружи. В нем используется жидкий безводный аммиак под давлением. Аммиак обладает высокой теплоемкостью и остается жидким при температуре до минус 77,7 °C, что предотвращает замерзание и разрыв труб, когда контур заходит в тень Земли.
3. Радиационные панели. Насосы гонят нагретый аммиак через большие радиаторные панели на фермах МКС. Эти панели излучают тепло обеими своими плоскостями. Поворотные механизмы автоматически удерживают радиаторы строго ребром к Солнцу и плоскостью к открытому космосу. Это позволяет до минимума снизить нагрев от солнечных лучей и максимально эффективно отдавать тепло в пространство.

Баланс между охлаждением в тени и нагревом на солнце поддерживается специальными клапанами. Они регулируют, какой объем аммиака направить в радиаторы, а какой пустить в обход них. Благодаря этому внутри станции удерживается стабильная температура около +24 °C. Вакуум выступает в роли сильного теплоизолятора, поэтому точный расчет площади радиаторов и направления тепловых потоков — базовое условие выживания любой орбитальной станции.