Количество энергии получаемое от солнца – все о космосе

Откуда берется энергия Солнца? – Все о космосе

22.08.2011

Почему Солнце светит и не остывает уже миллиарды лет? Какое «топливо» дает ему энергию? Ответы на эти вопросы ученые искали веками, и только в начале XX в. было найдено правильное решение.

Теперь известно, что Солнце, как и другие звезды, светит благодаря протекающим в его недрах термоядерным реакциям.

Что же это за реакции? < Если ядра атомов легких элементов сольются в ядро атома более тяжелого элемента, то масса нового ядра окажется меньше, чем суммарная масса тех ядер, из которых оно образовалось.

Остаток массы превращается в энергию, которую уносят частицы, освободившиеся в ходе реакции. Эта энергия почти полностью переходит в тепло. Такая реакция синтеза атомных ядер может происходить только при очень высоком давлении и температуре свыше 10 млн градусов. Поэтому она и называется термоядерной.

Основное вещество, составляющее Солнце, — водород, на его долю приходится около 71% всей массы светила. Почти 27% принадлежит гелию, а остальные 2% — более тяжелым элементам, таким, как углерод, азот, кислород и металлы. Главным «топливом» на Солнце служит именно водород.

Рассмотрим механизм термоядерной реакции превращения водорода в гелий, которая, по-видимому, наиболее важна для большинства звезд. Называется она протон-протонной, так как начинается с тесного сближения двух ядер атомов водорода — протонов.

Протоны заряжены положительно, поэтому взаимно отталкиваются, причем, по закону Кулона, сила этого отталкивания обратно пропорциональна квадрату расстояния и при тесных сближениях должна стремительно возрастать.

Однако при очень высоких температуре и давлении теплового движения частиц столь велики, а частицам так тесно, что наиболее быстрые из них все же сближаются друг с другом и оказываются в сфере влияния ядерных сил.

В результате может произойти цепочка превращений, которая завершится возникновением нового ядра, состоящего из двух протонов и двух нейтронов, — ядра гелия. Далеко не каждое столкновение двух протонов приводит к ядерной реакции. В течение миллиардов лет протон может постоянно сталкиваться с другими протонами, так и не дождавшись ядерного превращения.

Но если в момент тесного сближения двух протонов произойдет еще и другое маловероятное для ядра событие — распад протона на нейтрон, позитрон и нейтрино (такой процесс называется бета-распадом), то протон с нейтроном объединятся в устойчивое ядро атома тяжелого водорода — дейтерия. Ядро дейтерия (дейтон) по своим свойствам похоже на ядро водорода, только тяжелее.

Но в отличие от последнего в недрах звезды ядро дейтерия долго существовать не может. Уже через несколько секунд, столкнувшись еще с одним протоном, оно присоединяет его к себе, испускает мощный гамма-квант и становится ядром изотопа гелия, у которого два протона связаны не с двумя нейтронами, как у обычного гелия, а только с одним.

Раз в несколько миллионов лет такие ядра легкого гелия сближаются настолько тесно, что могут объединиться в ядро обычного гелия, «отпустив на свободу» два протона. Итак, в итоге последовательных ядерных превращений образуется ядро обычного гелия. Порожденные в ходе реакции позитроны и гамма-кванты передают энергию окружающему газу, а нейтрино совсем уходят из звезды, потому что обладают удивительной способностью проникать через огромные толщи вещества, не задев ни одного атома.

Реакция превращения водорода в гелий ответственна за то, что внутри Солнца сейчас гораздо больше гелия, чем на его поверхности.

Естественно, возникает вопрос: что же будет с Солнцем, когда весь водород в его ядре выгорит и превратится в гелий, и как скоро это произойдет? Оказывается, примерно через 5 млрд лет содержание водорода в ядре Солнца настолько уменьшится, что его «горение» начнется в слое вокруг ядра.

Это приведет к «раздуванию» солнечной атмосферы, увеличению размеров Солнца, падению температуры на поверхности и повышению ее в ядре. Постепенно Солнце превратится в красный гигант — сравнительно холодную звезду огромного размера с атмосферой, превосходящей границы орбиты Земли.

Жизнь Солнца на этом не закончится, оно будет претерпевать еще много изменений, пока в конце концов не станет холодным и плотным газовым шаром, внутри которого уже не происходит никаких термоядерных реакций.

Источник http://galspace.spb.ru

Источник: https://www.vseocosmose.ru/?p=363

Энергия солнечного света

Солнце освещает и обогревает нашу планету, иначе на ней была бы невозможна жизнь не только человека, но даже микроорганизмов. Солнце – основной (хоть и не единственный) двигатель процессов, происходящих на Земле. Земля получает от Солнца не только тепло и свет. Разные виды энергии солнечного света и потоки частиц постоянно влияют на ее жизнь.

Солнце отправляет на Землю различные электромагнитные волны: от многокилометровых до гамма-лучей.

К границам Земли долетают заряженные частицы различных энергий – высоких (космические солнечные лучи), низких и средних (выбросы от вспышек, потоки солнечного ветра). Солнце, наконец, испускает сильный поток элементарных частиц – нейтрино.

Но воздействие последних на жизненные процессы на нашей планете ничтожно мало: земной шар для этих частиц является прозрачным, и они сквозь него свободно пролетают.

Только малейшая часть заряженных частиц из межзвездного пространства оказывается в атмосфере Земли (все остальные задерживает или отклоняет геомагнитное поле). Но этой энергии солнечного света достаточно, чтобы вызывать полярные сияния и возмущения в магнитном поле планеты.

Электромагнитное излучение в земной атмосфере подвергается строгому отбору. Она прозрачна только для ближних инфракрасного и ультрафиолетового излучений, видимого света и радиоволн в относительно низком диапазоне (от метровых до сантиметровых). Остальная часть излучения отражается атмосферой или поглощается ей, нагревая ее верхние слои и ионизуя их.

Поглощение жестких ультрафиолетовых и рентгеновских лучей начинается на высотах 300-350 км; здесь же отражаются самые длинные радиоволны, поступающие из космоса.

Рентгеновские кванты, образующиеся от хромосферных вспышек при сильных всплесках рентгеновского солнечного излучения, могут проникать до высот 80-100 кмот поверхности Земли, они ионизируют атмосферу и приводят к нарушению связи на коротких волнах.

Длинноволновое (мягкое) излучение ультрафиолета может проникать еще глубже, его поглощение происходит на высоте 30-35 км. Ультрафиолетовые кванты здесь разбивают на атомы молекулы кислорода (О2) с дальнейшим преобразованием озона (О3).

Так появляется «озонный экран», непрозрачный для ультрафиолета, который предохраняет жизнь на Земле от губительных лучей. Часть самого длинноволнового ультрафиолетового излучения, которая не поглотилась, достигает до земной поверхности.

Именно этот вид энергии солнечного света вызывает у людей загар, а в некоторых случаях даже ожоги кожи, если человек долго находится на солнце.

В видимом диапазоне излучение слабо поглощается. Но атмосфера его рассеивает даже, если нет облаков, и часть его возвращается в межзвездное пространство.

Облака, состоящие из твердых частиц и капелек воды, в значительной мере усиливают отражение солнечного излучения.

В итоге до поверхности планеты доходит примерно половина энергии солнечного света, падающей на границу земной атмосферы.

Количество энергии Солнца, имеющееся на поверхности площадью 1 м2, расположенной перпендикулярно солнечным лучам на границе атмосферы Земли, называется солнечной постоянной. С Земли ее очень сложно измерять, поэтому значения, которые были найдены до начала современных космических исследований, были только приблизительными.

Небольшие колебания (если они существовали реально) заведомо «исчезали» в неточности измерений. Только осуществление специальной космической программы по вычислению солнечной постоянной дало возможность найти ее достоверное значение. По последним данным, оно равняется 1370 Вт/м2 с точностью до 0,5%.

В процессе измерений не было зафиксировано колебаний, превышающих 0,2%.

На Земле энергия солнечного света поглощается океаном и сушей. Земная поверхность в нагретом состоянии в свою очередь излучает в длинноволновой инфракрасной области.

Для данного излучения кислород и азот атмосферы являются прозрачными. Зато оно жадно поглощается углекислым газом и водяным паром. Благодаря этим небольшим составляющим воздушная оболочка может удерживать тепло.

В этом и состоит парниковый эффект атмосферы. Между поступлением энергии солнца на Землю и потерями ее на планете существует равновесие: сколько энергии поступает, столько ее и расходуется.

Иначе температура поверхности Земли вместе с атмосферой или бы постоянно повышалась, или понижалась.

Всего за три дня Солнце отправляет столько энергии на Землю, сколько ее содержится во всех существующих запасах ископаемых топлив, а за одну секунду – 170 млрд. Дж. Основная часть данной энергии рассеивается и поглощается атмосферой, особенно облаками, и лишь ее треть достигает поверхности планеты.

Вся энергия, которую Солнце испускает, превышает ту ее часть, которую Земля получает, в 5 млрд. раз. Но даже такая малая величина в 1600 раз превышает энергию, которую могут дать другие источники взятые вместе.

Энергия солнечного света, падающая на поверхность одного озера, приравнивается к мощности достаточно крупной электростанции.

Солнечная энергия – самый грандиозный, недорогой, но и, наверное, менее используемый человечеством источник энергии.

В последние годы резко повысился интерес к использованию энергии солнечного света. Возможности энергетики, основанные на применении непосредственного излучения Солнца, невероятно велики.

Использование 0,0125% солнечной энергии могло бы покрыть все сегодняшние потребности энергетики мира, а 0,5% могли бы покрыть потребности на перспективу. Но практически может быть использована только очень малая часть данной энергии.

Одна из основных причин такой ситуации – слабая плотность энергии Солнца. Мощность, снимаемая с 1 м2 поверхности освещенной солнцем в среднем составляет 160 В. Чтобы сгенерировать 100 тыс. кВт нужно снять энергию с площади в 1,6 км2.

Ни один из методов преобразования энергии, известных в настоящее время, не обеспечивает экономическую эффективность такой трансформации.

Солнечная энергетика является материалоемким видом производства энергии.

Получение энергии солнечного света в крупных масштабах влечет за собой огромное увеличение потребностей в трудовых ресурсах и материалах для добычи сырья, получения материалов, изготовления коллекторов, гелиостатов, иной аппаратуры, их перевозки.

Электрическая энергия, рожденная лучами Солнца, пока еще обходится намного дороже, чем энергия, получаемая обычными методами. Ученые надеются, что опыты и эксперименты, которые проводятся в настоящее время на станциях и опытных установках, помогут решить существующие экономические и технические проблемы.

Не смотря ни на что, станции, преобразующие солнечную энергию, возводятся, и они работают.

При помощи гелиоустановок энергия солнечного света преобразуется в электрическую или тепловую энергию, удобную для практического использования. В южных областях нашей страны существует множество солнечных систем и установок.

Читайте также:  Седна - все о космосе

С их помощью осуществляется горячее водоснабжение, отопление и кондиционирование воздуха в общественных и жилых помещениях, отопление животноводческих теплиц и ферм, сушка сельскохозяйственной продукции, подъем и опреснение минерализованной воды, термообработка строительных конструкций.

В нашей стране с начала 50-х годов космические летательные аппараты в качестве главного источника энергопитания используют солнечные батареи, преобразующие энергию солнечной радиации непосредственно в электроэнергию. Они являются незаменимым источником электричества в ракетах, спутниках и межпланетных автоматических станциях.

Освоение пространства космоса дает возможность разрабатывать проекты солнечно-космических электростанций для обеспечения энергией Земли. В отличие от земных станций, эти станции будут не только получать максимально плотный поток теплового излучения Солнца, но и не зависеть от смены дня и ночи, погодных условий. Ведь в космосе Солнце светит с постоянной интенсивностью.

Продолжается исследование возможностей более широкого применения гелиоустановок: «солнечные» крыши на домах для тепло- и энергоснабжения, установка “солнечных” крыш на автомобилях позволит подзаряжать аккумуляторы, «солнечные» фермы в сельской местности и т.д.

Энергетики и ученые продолжают искать новые более дешевые возможности применения энергии солнечного света. Появляются новые идеи и проекты.

Источник: http://zeleneet.com/energiya-solnechnogo-sveta/1411/

Солнце и солнечная энергия. Строение Солнца. Характеристики Солнца



Солнце играет исключительную роль в жизни Земли. Весь органический мир нашей планеты обязан Солнцу своим существованием. Солнце – это не только источник света и тепла, но и первоначальный источник многих других видов энергии (энергии нефти, угля, воды, ветра).

С момента появления на земле человек начал использовать энергию солнца. По археологическим данным известно, что для жилья предпочтение отдавали тихим, закрытым от холодных ветров и открытых солнечным лучам местам.

Пожалуй, первой известной гелиосистемой можно считать статую Аменхотепа III, относящуюся к XV веку до н.э. Внутри статуи располагалась система воздушных и водяных камер, которые под солнечными лучами приводили в движение спрятанный музыкальный инструмент. В Древней Греции поклонялись Гелиосу. Имя этого бога сегодня легло в основу многих терминов, связанных с солнечной энергетикой.

Проблема обеспечения электрической энергией многих отраслей мирового хозяйства, постоянно растущих потребностей населения Земли становится сейчас все более насущной.

Общие сведения о Солнце

Солнце – центральное тело Солнечной системы, раскаленный плазменный шар, типичная звезда-карлик спектрального класса G2.

Характеристики Солнца

  • Масса MS~2*1023 кг
  • RS~629 тыс. км
  • V= 1,41*1027 м3, что почти в 1300 тыс. раз превосходит объем Земли,
  • средняя плотность 1,41*103 кг/м3,
  • светимость LS=3,86*1023 кВт,
  • эффективная температура поверхности (фотосфера) 5780 К,
  • период вращения (синодический) изменяется от 27 сут на экваторе до 32 сут. у полюсов,
  • ускорение свободного падения 274 м/с2 (при таком огромном ускорении силы тяжести человек массой 60 кг весил бы более 1,5 т.).

Строение Солнца

В центральной части Солнца находится источник его энергии, или, говоря образным языком, та “печка”, которая нагревает его и не даёт ему остыть. Эта область называется ядром (см. рис.1).

В ядре, где температура достигает 15 МК, происходит выделение энергии. Ядро имеет радиус не более четверти общего радиуса Солнца.

Однако в его объёме сосредоточена половина солнечной массы и выделяется практически вся энергия, которая поддерживает свечение Солнца.

Сразу вокруг ядра начинается зона лучистой передачи энергии, где она распространяется через поглощение и излучение веществом порций света – квантов. Кванту требуется очень много времени, чтобы просочиться через плотное солнечное вещество наружу. Так что если бы печка внутри Солнца вдруг погасла, то мы узнали бы об этом только миллионы лет спустя.

На своём пути через внутренние солнечные слои поток энергии встречает такую область, где непрозрачность газа сильно возрастает. Это конвективная зона Солнца. Здесь энергия передаётся уже не излучением, а конвекцией.

Конвективная зона начинается примерно на расстоянии 0,7 радиуса от центра и простирается практически до самой видимой поверхности Солнца (фотосферы), где перенос основного потока энергии вновь становится лучистым.

Фотосфера – это излучающая поверхность Солнца, которая имеет зернистую структуру, называемую грануляцией. Каждое такое зерно размером почти с Германию и представляет собой поднявшийся на поверхность поток горячего вещества. На фотосфере часто можно увидеть относительно небольшие темные области – солнечные пятна.

Они на 1500˚С холоднее окружающей их фотосферы, температура которой достигает 5800˚С. Из-за разницы температур с фотосферой эти пятна и кажутся при наблюдении в телескоп совершенно черными. Над фотосферой расположен следующий, более разряженный слой, называемый хромосферой, то есть окрашенной сферой. Такое название хромосфера получила благодаря своему красному цвету.

И, наконец, над ней находится очень горячая, но и чрезвычайно разреженная часть солнечной атмосферы – корона.

Солнце – источник энергии

Наше Солнце – это огромный светящийся газовый шар, внутри которого протекают сложные процессы и в результате непрерывно выделяется энергия. Энергия Солнца является источником жизни на нашей планете. Солнце нагревает атмосферу и поверхность Земли.

Благодаря солнечной энергии дуют ветры, осуществляется круговорот воды в природе, нагреваются моря и океаны, развиваются растения, животные имеют корм. Именно благодаря солнечному излучению на Земле существуют ископаемые виды топлива.

Солнечная энергия может быть преобразована в теплоту или холод, движущую силу и электричество.

Солнце испаряет воду с океанов, морей, с земной поверхности. Оно превращает эту влагу в водяные капли, образуя облака и туманы, а затем заставляет её снова падать на Землю в виде дождя, снега, росы или инея, создавая, таким образом, гигантский круговорот влаги в атмосфере.

Солнечная энергия является источником общей циркуляции атмосферы и циркуляции воды в океанах. Она как бы создаёт гигантскую систему водяного и воздушного отопления нашей планеты, перераспределяя тепло по земной поверхности.

Солнечный свет, попадая на растения, вызывает у него процесс фотосинтеза, определяет рост и развитие растений; попадая на почву, он превращается в тепло, нагревает её, формирует почвенный климат, давая тем самым жизненную силу находящимся в почве семенам растений, микроорганизмам и населяющим её живым существам, которые без этого тепла пребывали бы в состоянии анабиоза (спячки).

Солнце излучает огромное количество энергии – приблизительно 1,1×1020 кВт·ч в секунду. Киловатт·час – это количество энергии, необходимое для работы лампочки накаливания мощностью 100 ватт в течение 10 часов.

Внешние слои атмосферы Земли перехватывают приблизительно одну миллионную часть энергии, излучаемой Солнцем, или приблизительно 1500 квадрильонов (1,5 x 1018) кВт·ч ежегодно. Однако только 47% всей энергии, или приблизительно 700 квадрильонов (7 x 1017) кВт·ч, достигает поверхности Земли.

Остальные 30% солнечной энергии отражается обратно в космос, примерно 23% испаряют воду, 1% энергии приходится на волны и течения и 0,01% – на процесс образования фотосинтеза в природе.

Исследование солнечной энергии

Почему Солнце светит и не остывает уже миллиарды лет? Какое «топливо» дает ему энергию? Ответы на этот вопрос ученые искали веками, и только в начале XX века было найдено правильное решение. Теперь известно, что, как и другие звезды, светит благодаря протекающим в его недрах термоядерным реакциям.

Если ядра атомов лёгких элементов сольются в ядро атома более тяжелого элемента, то масса нового окажется меньше, чем суммарная масса тех, из которых оно образовалось.

Остаток массы превращается в энергию, которую уносят частицы, освободившиеся в ходе реакции. Эта энергия почти полностью переходит в тепло.

Такая реакция синтеза атомных ядер может происходить только при очень высоком давлении и температуре свыше 10 млн. градусов. Поэтому она и называется термоядерной.

Основное вещество, составляющее Солнце, – водород, на его долю приходится около 71% всей массы светила. Почти 27% принадлежит гелию, а остальные 2% – более тяжелым элементам, таким как углерод, азот, кислород и металлы. Главным «топливом» Солнца служит именно водород.

Из четырех атомов водорода в результате цепочки превращений образуется один атом гелия.

А из каждого грамма водорода, участвующего в реакции, выделяется 6×1011 Дж энергии! На Земле такого количества энергии хватило бы для того, чтобы нагреть от температуры 0ºC до точки кипения 1000 м3 воды.

Потенциал солнечной энергии

Солнце обеспечивает нас в 10 000 раз большим количеством бесплатной энергии, чем фактически используется во всем мире. Только на мировом коммерческом рынке покупается и продается чуть меньше 85 триллионов (8,5 x 1013) кВт·ч энергии в год.

Поскольку невозможно проследить за всем процессом в целом, нельзя с уверенностью сказать, сколько некоммерческой энергии потребляют люди (например, сколько древесины и удобрения собирается и сжигается, какое количество воды используется для производства механической или электрической энергии). Некоторые эксперты считают, что такая некоммерческая энергия составляет одну пятую часть всей используемой энергии. Но даже если это так, то общая энергия, потребляемая человечеством в течение года, составляет только приблизительно одну семитысячную часть солнечной энергии, попадающей на поверхность Земли в тот же период.

В развитых странах, например, в США, потребление энергии составляет примерно 25 триллионов (2.5 x 1013) кВт·ч в год, что соответствует более чем 260 кВт·ч на человека в день.

Данный показатель является эквивалентом ежедневной работы более чем ста лампочек накаливания мощностью 100 Вт в течение целого дня.

Среднестатистический гражданин США потребляет в 33 раза больше энергии, чем житель Индии, в 13 раз больше, чем китаец, в два с половиной раза больше, чем японец и вдвое больше, чем швед.



Источник: http://www.gigavat.com/ses_sun.php

Терморегуляция и Орбитальные станции. Часть 1

“Кроме самого двигателя весь корабль представляет из себя громадную грелку.

Например, тепловые радиаторы космического корабля «Спейс Шаттл» вмонтированы во внутреннюю поверхность створок его грузового люка.

Поэтому на околоземной орбите «Спейс Шаттл» всегда находится с открытыми створками грузового люка, это не связано только с грузовыми операциями, но и является рабочим положением створок.”

Кроме того, во время штатного орбитального полета (если не было специфических операций вроде ремонтов спутников-телескопов и/или стыковок с орбитальными станциями) челнок обычно ориентировали «спиной» к Земле. Во-первых, на Землю смотрят и аппаратный (грузовой) отсек со всеми приборами и кабина экипажа (большинство задач орбитальных аппаратов земные).

Во-вторых, этим достигается лучшая защита людей и оборудования от солнечной и космической радиации (их принимает термоизоляционное жаропрочное брюхо челнока, облицованное плиткой), но главное то, что спрятаны от солнца вот эти радиаторы-излучатели (ИК излучение от них идет в сторону Земли, а сами они максимально изолированы от солнечного нагрева) (прим. СД).

Мощность охлаждающей системы «Спейс Шаттла» составляет всего около 15 кВт сбрасываемого тепла, но размеры радиаторов уже сравнимы с размером космического корабля. Однако с ростом мощности охлаждения площади радиаторов растут гораздо быстрее.

Читайте также:  Биография карла гаусса - все о космосе

Даже сегодня на Международной космической станции площадь радиаторов для сброса тепла уже сравнима с площадью солнечных батарей.

Желтыми стрелочками показаны тепловые радиаторы Международной космической станции, оранжевым эллипсом — насос аммиачного хладагента.

Радиаторы современной Международной космической станции работают на аммиаке. Испаряясь при комнатной температуре (при давлении в 10 атмосфер) аммиак хорошо работает в холодильном цикле, охлаждая нагревающуюся на солнце и за счет своих внутренних процессов МКС. Внутренний контур МКС использует для охлаждения обычную воду, которая охлаждается испарением аммиака из внешнего контура.

На сегодняшний день такие низкотемпературные радиаторы позволяют МКС скидывать в окружающее пространство около 70 кВт тепловой мощности с возможностью увеличения теплового сброса ещё на 14 кВт.

Бортовые системы МКС на дневной стороне непрерывно подворачивают панели солнечных батарей и радиаторов, ориентируя первые на максимальный прием солнечного света, а вторые на минимальный.

Минимизировать солнечный нагрев самих радиаторов должен и их белый цвет (такой же, как и «спинка» орбитальных челноков) – эстетика здесь на последнем месте.

На теневой же стороне станция ориентирует панели батарей и радиаторов к плоскости орбиты подобно крыльям и килям летящего самолета.

Здесь первостепенной задачей на 45 темных минут становится – минимизировать сопротивление ничтожных остатков атмосферы, которые на высоте 400 км всё же есть, и их тормозящий эффект виток за витком постепенно сказывается, что приводит к замедлению и снижению высоты орбиты. Станция шевелит «крыльями» медленно, но непрерывно (прим СД).

Однако, как вы наглядно видите, даже такая маломощная низкотемпературная система имеет весьма внушительные размеры относительно самой станции. Что же говорить о случае, если избыточная тепловая мощность на борту составит мегаватты, а то и десятки и сотни мегаватт? Ведь тогда радиаторы надо будет увеличивать просто-таки в геометрической прогрессии!

И вот тут нам на помощь приходит механика потери теплоты за счет излучения. Вот обобщенная формула для работы любого радиатора:

∂Q/∂t = Re * (5,67×10-8) * Ra * Rt4

Это — наглядная запись закона Стефана-Больцмана, где 5,67×10-8 постоянная Стефана-Больцмана, Re— эффективность работы радиатора (теоретический максимум = 1, отсюда, кстати, следует и максимальное число радиаторов на космическом корабле, равное четырем, чтобы тупо не греть друг друга излучением), Ra— площадь радиатора, а Rt — его температура.

Нетрудно видеть, что количество «выдавливаемого» в космос тепла пропорциональна первой степени его площади, но четвертой степени — его температуры. То есть, увеличение абсолютной температуры радиатора в 2 раза, выраженное в градусах Кельвина (не Цельсия!) приведёт к увеличению теплоотдачи в 16 раз!

Скорее всего, радиаторы будущего космического корабля будут светиться темно-вишневым цветом, поскольку их температура будет превышать 3000 К, вместо 350-400 К для радиаторов современных космических кораблей.

Больше температуры, нежели 3000 К, представить себе гораздо сложнее: самый тугоплавкий металл, вольфрам имеет температуру плавления в 3442 °C, а самый тугоплавкий материал, графит плавится при 3845-3890 °C.

Понятное дело, до температуры плавления ни вольфрам, ни графит доводить нельзя — для сохранения конструкционной прочности радиатора его рабочая температура всё-таки должна быть на 600-800 градусов ниже температуры плавления его конструкционных материалов.

Это позволит поднять теплоотдачу радиаторов на единицу площади где-то в 3000 раз (как мы помним, четвёртая степень температуры) и хоть как-то увязать размер потребных радиаторов с размерами самого космического корабля, чтобы не создавать громадные, километровые по площади панели.

Система терморегуляции малоразмерных космических аппаратов.

Цитата из статьи, описывавшей миссию Союз-Аполлон (ЭПАС) 1975 года: «В обоих кораблях использовалась система терморегуляции с теплоносителем и радиаторами.

Покрашенные в белый цвет для лучшего излучения тепла (точнее сказать:для меньшего приема солнечного тепла (на излучающую способность радиатора его наружный цвет не влияет) (прим.

СД)) радиаторы стояли на сервисных модулях и даже выглядели одинаково»

Так-то оно так, НО:

  1. Оба жилых отсека Союза были покрыты термоизоляционной и радиозащитной шубой «двухслойной» (стекловолокно-вакуум). На современных версиях Союз-Т эта шуба покрывает уже и часть аппаратного отсека до самого пояса радиаторов (фото ниже). Жарится на солнце уже она, а не весь корабль. Она же и основную массу солнечного нейтронного излучения тормозит. Аполлон такой не имел.
  2. За шубой собственно металлическая (алюминиевые и магниевые сплавы) стенка отсеков с прослойками термоизоляционных композитных материалов в два с половиной раза толще стенок командного модуля Аполлонов (соты профилированных панелей 20-30 мм). А у командного отсека Союза еще и абляционная защита в сантиметры толщиной (у Аполлона она, по данным НАСА, была не более 44 мм). А толстые прочные стенки позволяют иметь земную атмосферу внутри корабля с земным же давлением (в Аполлонах была кислородная с давлением 0,3 от атмосферного). Атмосфера ведь тоже щит от агрессивного излучения. И чем она плотнее – тем прочнее этот щит для земных организмов. Попробуй Солнышко быстро прогреть-пропечь весь этот многослойный пирог!
  3. 3.Союз, хоть и создавался на перспективу как лунный корабль, но к Луне с людьми всё же не летал, и даже за защитную магнитосферу Земли (за пояса ван Аллена) не выходил. И каждые полчаса в земную тень нырял. Аполлон же вроде как 8 раз к Луне летал без всякой тени (ну разве что ненадолго за Луной от солнышка прятался на селеноцентрической орбите, пока попрыгунчики по Луне скакали).
  4.  Бортовые системы Союза частично питались от солнечных батарей, что также уменьшало внутренний нагрев корабля при превращении входной энергии в электрическую-световую-механическую всех этих лампочек-приборов-механизмовс неизбежным тепловыделением. Аполлон солнечных батарей отродясь не имел и всю энергию якобы получал от химических (водородно-кислородных) батарей т.е. та же химическая реакция, что и в маршевых двигателях шаттлов и вторых-третьих ступеней некоторых поздних советских космических ракет (советского челнока Энергия-Буран, например). С такой же теплоотдачей (285,75 МДж/моль тепла – это самая теплая химическая реакция в природе). В батареях эта реакция идет с применением катализаторов (Pt, Pel, Ni) уже изначально при t°- 80-130°С. И если в ракетных двигателях горящий под 3,5 тысяч градусов водород греет камеры сгорания и сопла двигателей, и сбрасывает тепловую энергию в пространство вместе с реактивной струей раскаленного водяного пара, образовавшегося при горении, то в батареях тепло от этого процесса (хоть и не столь взрывного, и горячего как в движках), никуда не девается – так и остается внутри системы корабля. Более того, по данным НАСА вода, образовывавшаяся при работе этой водородной электростанции, использовалась для технических и бытовых нужд корабля и астронавтов. В виде кипятка, разумеется, ибо трудно представить на выходе горения водорода (пусть даже медленного каталитического) хладный горный родничок!

И при всем при этом, оба корабля имели практически одинаковые радиаторы-излучатели в виде белого пояса в хвостовой части кораблей. И относительный их объем (точнее относительная излучающая площадь по отношению к общей площади корабля) практически одинаковы – достаточно на фото взглянуть.

Ну, тогда либо это были чудесные радиаторы с невообразимой излучающей способностью, секрет изготовления которых утерян или сокрыт от американских конструкторов шаттлов и прочих космических аппаратов. Либо Аполлоны (ну и разумеется их лунные модули) регулярно выбрызгивали в пространство десятки (а то и сотни) литров воды или иного хладагента.

Третьего способа избавления в вакууме от лишнего тепла современная Физика пока еще не знает. Второй метод (выброс части хладагента) вроде как предусмотрен в виде экстренной меры терморегулирования на всех пилотируемых аппаратах, но это действительно экстренная мера, ибо на более-менее продолжительный полет просто не напасешься хладагентов.

А еще цену каждого грамма, выведенного на орбиту, посчитать – он золотым будет! Американцы ради Великой Цели «Обскакать Русского Медведя», за Ценой конечно, не постоят (надо будет – еще долларов напечатают), но всё жекак-то нет свидетельств, что Аполлоны и их лунные «пепелацы» регулярно выбрасывали кометные хвосты жидкостей, превращавшихся на глазах в хлопья льда.

Такое красивое космическое зрелище они обязательно бы засняли на камеру хотя бы в съемочном павильоне Стенли Кубрика.  

Фото “аполлониста”, высунувшегося из разгерметизированного командного модуля, сделанное непонятно кем и непонятно откуда.

(Что за Аполлон? К чему пристыкован? К лунному модулю? К переходному шлюзу с Союз-19? К причальной секции станции Скайлэб? И для чего “лётчик” высунулся из люка? Стыковку снаружи корректировал: “Правей-левей, вира-майна”? Конструкция люка открывающегося наружу, видимо, была разработана специально для быстрой разгерметизации при прогулках в открытый космос – щеколду отодвинул и крышка сама откинулась под давлением кислорода, вылетающего в пустоту! Два дела сразу – экономия времени…  Как изящно астронавт руку в локте в своем надутом скафандре согнул – нынешние так не могут! И как Аполлон сохранил девственный вид обшивки после старта? Их ведь не паковали целиком в футляр обтекателя!). Очень наглядное фото! Все чудеса корабля Аполлон в одной картинке.

Это фото без чудес: Челнок Атлантис, пристыкованный к МКС. Никто никуда не высовывается, да и некуда высунуться – шлюзовая камера шаттла одновременно является и его стыковочным узлом. Как и головная (орбитальная) секция корабля Союз (следующее фото). 

Союз-ТМА пристыкован к МКС. Видно что солнцезащитная шуба этой модели (в отличие Союз-19) удлинилась “до колен”. А пояс радиаторов покрывает уже практически весь сервисный модуль корабля почти “до пяток”.  

Как видим, космос вблизи нашего солнышка скорее «горячий», чем «холодный» и проблема охлаждения космических кораблей стоит острее проблем их обогрева. Беспилотные аппараты не столь привередливы к климат-контролю как космонавты, но обогреватели и радиаторы железякам тоже нужны.

Читайте также:  Космонавт крикалев сергей константинович - все о космосе

Особенно их нежным электронным потрохам и прочим тонким системам.

Лунаход-1, например, по утверждению наших специалистов вышел из строя, черпанув в свою «кастрюлю», внутренние стенки которой являлись радиатором-излучателем, немножечко лунного реголита на каком-то склоне в момент то ли закрытия, то ли открытия крышки «кастрюли», внутренняя поверхность которой являлась солнечной батареей. Этой пыли, засорившей поверхность радиатора и нагревавшейся лунным днем до двухсот с лишним градусов, хватило, чтобы угробить всю систему терморегуляции аппарата и привести к его поломке в результате перегрева.

Схема Луноход-1. (Панели радиатора выстилают всю внутреннюю площадь стенок “кастрюли”.

Дизайн самой “кастрюли” выполнен в виде воронки (перевернутого конуса) чтобы панели радиатора в процессе сброса тепла не грели сами себя (свои противоположные секции) инфракрасным излучением – основной вектор ИК излучения направлен под углом вверх. Этот дизайн обеспечивал и сокрытие большей части радиатора от солнечных лучей большую часть времени лунного дня.

Летевшие к холодноватому Марсу аппараты тоже не могли обойтись без внутренней терморегуляции и радиаторов-излучателей.

Схема аппаратов Марс-2 и Марс-3. (под №5 – панели радиаторов системы терморегулирования)

 И разумеется, в них нуждаются все крупногабаритные спутники, набитые сложной аппаратурой и энергосистемами. Они тоже ощетиниваются солнечными батареями и обязательно радиаторами. Еще и корпус многих из них покрывают золотистой или серебристой светоотражающей фольгой. Самый яркий пример такого аппарата – легендарный орбитальный телескоп Хаббл.

Спутник-телескоп Хаббл (снимки из кабины шаттла)

Схема головной части телескопа Хаббл (CCD-Radiator – показана одна из панелей радиатора с изменяемым углом атаки в зависимости от положения Солнца.. Основная идея дизайна панелей та же что и на МКС – подворачивая панели минимизировать их нагрев прямыми солнечными лучами.  

Продолжение >>>

Источник: https://kosmos-x.net.ru/publ/kosmos/termoreguljacija_i_orbitalnye_stancii_chast_1/12-1-0-283

Интересные факты о солнечной энергии

  • Каждую секунду Земля получает 170 миллиардов ватт от солнечных вспышек
  • Солнце вырабатывает огромное количество энергии. Благодаря ей на Земле происходят жизненно важные процессы, наподобие водного цикла. Более 170 миллиардов ватт солнечной энергии каждую секунду «врезается» в земную атмосферу.

    Чтобы сравнить эти невероятные масштабы, представьте, что в среднем смартфон потребляет около двух тысяч ватт в течение года. Солнце посылает в миллиард раз больше энергии в атмосферу каждую секунду! Не вся солнечная энергия, которая достигает атмосферы, попадает на поверхность Земли. Атмосфера поглощает и отражает часть энергии обратно в космос, облака также отражают и поглощают энергию.

    На самом деле только 50 % солнечной энергии проходит через атмосферу и попадает на поверхность Земли. И это очень хорошо, поскольку, если бы поверхности Земли достигало 100 процентов солнечной энергии, то наша жизнь кардинально бы отличалась от нынешней.

  • Когда мы едим фрукты и овощи, мы получаем калории от Солнца
  • Растения также могут нам поведать довольно интересные факты о солнечной энергии. Например, мы используем их, даже не подозревая, что растения еще один источник солнечной энергии. Оказывается, солнечная энергия играет очень важную роль в процессе фотосинтеза, генерирующий необходимый нам кислород.

    Химическая реакция фотосинтеза преобразует воздух, воду и другие питательные вещества, так что растения, цветы и листья деревьев могут расти. Когда мы едим фрукты и овощи, мы потребляем калории, которые были созданы при помощи энергии Солнца. Так что, когда мы едим овощи, мы на самом деле получаем энергию от Солнца.

    Это один из удивительных фактов о солнечной энергии, который говорит нам, что мы используем солнечную энергию, даже когда мы не осознаем этого.
    Люди едят мясо животных, которые в свою очередь едят корм, изготовленный из растений. Та энергия, которую мы получаем, употребляя в пищу мясо, происходит от энергии, которая «накапливается» в животных из растений.

    Это еще один удивительный факт о солнечной энергии – даже когда мы едим мясо, мы получаем энергию от Солнца.

  • Витамин D создается в нашем организме за счет солнечной энергии
  • Люди, как растения, также использую солнечную энергию в качестве витаминов.

    Но в отличие от растений, мы не зависим от этой энергии настолько сильно. Тем не менее, наше тело нуждается в солнечной энергии, чтобы выполнять различные химические процессы. Например, чтобы вырабатывать в организме витамин D.

    В коже человека находится определенный тип холестерина, который преобразует предварительный тип витамина в витамин D, который защищает кожу от ультрафиолетового излучения.

    Предварительно, «витаминовая заготовка», при ультрафиолетовом излучении Солнца, попадает в печень, которая в конечном итоге вырабатывает столь необходимый организму витамин D.

  • Первая солнечная электростанция была построена в 1912 году
  • Солнечная энергия участвует в круговороте воды в природе. Солнце нагревает воду на Земле, и это вызывает испарение, которое преобразуется в осадки в виде дождя или снега.

    Когда вода и другие жидкости нагреваются от солнечной энергии, они претерпевают изменения и превращаются в газ. Для воды, этот газ является паром. Уже в 1897 году, Фрэнк Шуман создал систему, которая использует энергию Солнца, чтобы привести в движение маленький двигатель.

    Его более поздние системы улучшались и использовали воду для питания полноразмерного парового двигателя.
    В 1912 году Шуман запатентовал свою систему и построил первую солнечную электростанцию энергии в Египте.

    Это один из наиболее важных фактов в истории использования солнечной энергии.

    Электростанция Шумана была способна получать 45-52 киловатт, и стало первым масштабным коммерческим использованием солнечной энергии. По сегодняшним меркам это небольшой масштаб, но он дал начало широкому применению солнечной энергии. Этот факт вдохновил будущих изобретателей двигаться дальше.

    Солнечная тепловая энергия является одним из видов технологий, которая способная нагревать воду, а затем использовать ее изменения, чтобы привести в действие машину. Шуман оказался провидцем, который показал всем, что солнечную энергию можно будет использовать, когда на Земле исчерпаются запасы угля и нефти.

  • Прохладный напиток в жаркий день является пассивной солнечной технологией
  • Есть два основных типа технологий, используемых для «захвата» и применения энергии Солнца: активные и пассивные.

    Активные солнечные технологии, такие как солнечные панели, собирают солнечную энергию и преобразовывают ее в электрическую. Активная солнечная технология поставляет энергию для ее использования.
    Пассивные солнечные технологии направлены на снижение использования энергии из других источников. Она может быть чем-то простым.

    Например, крыша дома со специальным отражающим покрытием, необходимым для уменьшения количества поступающей энергии. Это необходимо для охлаждения дома летом. Пассивные солнечные технологии работают за счет уменьшения количества энергии.

    Даже прохладительный напиток в жаркий день является одним из видов пассивной солнечной технологии.

  • Панели солнечных батарей используют фотоны, чтобы создавать экситоны и электронные поля
  • Когда люди думают о солнечной энергии, они часто представляют себе солнечные панели. Эти панели содержат «солнечные клетки», которые также известны как фотоэлементы, благодаря которым происходит фотоэлектрический эффект.

    Фотоэлектрических эффект тенденция некоторых материалов возбуждаться фотонами в солнечной энергии. Различные материалы обладают различными свойствами при возбуждении энергией Солнца.

    Также, используются специальные материалы, чтобы заставить солнечные батареи генерировать экситоны возбужденном состоянии. Наличие последних вызывает поток электронов.

    В дальнейшем, при помощи солнечной батареи этот поток преобразуется в электричество, которое мы потребляем.

    Первые солнечные батареи не могли преобразовывать солнечную энергию в электричество. Они были эффективными лишь на 1-2 %, в то время как современные батареи в лабораториях эффективнее на 40 %.

  • Солнечная энергия может очищать воду с помощью УФ-излучения
  • Еще один удивительный факт о солнечной энергии заключается в том, что ее можно использовать для очистки воды. Данное свойство солнечной энергии было известно еще древним грекам, а также практиковалось персидскими алхимиками в 1500-х годах.

    Процесс очистки соленой воды при помощи солнечной энергии называется солнечным опреснением. Существует еще один способ, который использует солнечную энергию для очистки воды под названием солнечная дистилляция. Солнечная дистилляция очищает воду от многих типов загрязнений.

    В качестве примера можно привести стандартный цикл круговорота воды в природе. В качестве миниатюрного примера, можно взять картонную коробку и поставить над ямкой, предварительно вырытой во влажной почве.

    Та вода, которая при испарении окажется на поверхности коробки, будет чистой и пригодной к питью.

    Еще один вариант очистки воды — ультрафиолетовое излучение. Оно является губительным для многих микробов и бактерий.

  • Солнечная энергия является единственным источником возобновляемой энергетики
  • Солнечная энергия является живительной для всего, что нас окружает. Если люди перейдут на источники питания от солнечных батарей, то значительно сократится использование электрической сети. Дело в том, что электросети получают питание благодаря сжиганию угля. А этот процесс способствует изменению климата, который приводит к глобальному потеплению.

    Солнечная энергия является одним из лучших источников возобновляемой энергии. Некоторые утверждают, что она является единственным источником в своем роде. Большая часть инфраструктуры в развитом мире построена на ископаемых видах топлива.

    Поэтому переход на использование солнечной энергии в качестве основного источника энергии потребует значительных усилий.
    Экономические преимущества использования солнечной энергии очевидны.

    Цены на топливо увеличиваются, а затраты на производство более эффективных солнечных батарей уменьшают.

  • Гравитационная энергия от Солнца удерживает Солнечную систему
  • Возможно, самый загадочный из фактов о солнечной энергии относится к гравитации, которую излучает Солнце. Благодаря гравитации все планеты и другие объекты сохраняют свои орбиты в Солнечной системе.

    Гравитационная энергия является одной из наименее изученных сил во Вселенной. В то время как Солнце излучает свет и солнечную энергию на Землю, оно также притягивает Землю к себе своим гравитационным полем.

    Если подумать, то выходит, что солнечная энергия несет ответственность не только за круговороты воды, питающие жизнь на Земле.

    Солнечная энергия создала условия для существования жизни на Земле, когда Солнечная система была только сформирована.

    Солнечная энергия становится все более и более важной в жизни человечества. Ученые видят в ней возобновляемые источники энергии, которые не вредят окружающей среде, а также большую пользу для здоровья человека.

    космоснаукасетисмартфоныфото

    Источник: https://24hitech.ru/interesnye-fakty-o-solnechnoi-energii.html

    Ссылка на основную публикацию