In manchen Bereichen des Weltraums herrschen völlig unterschiedliche Temperaturen, je nachdem, ob sie direktem Sonnenlicht ausgesetzt sind oder nicht. Beispielsweise können die Temperaturen auf dem Mond während des Mondtages (der zwei Wochen dauert) zwischen 121 °C liegen und nachts auf -133 °C fallen, was einer Schwankung von 250 °C entspricht.
Um die Temperatur in einem Lebensraum in diesen Umgebungen zu stabilisieren, wäre eine Heizung und Kühlung in einem Ausmaß erforderlich, wie es sie auf der Erde noch nie gegeben hat. Aber was wäre, wenn es eine Möglichkeit gäbe, diese Temperaturschwankungen zu mildern? Phasenwechselmaterialien (PCMs) könnten die Antwort sein, so eine Papiererschienen in Thermovon Forschern der Universidad Politecnica de Madrid.
PCMs sind seit einiger Zeit bekannt und werden derzeit in verschiedenen Branchen eingesetzt, darunter Batterien, Solarkraftwerke, Wärmepumpen und sogar Raumfahrzeuge. Am interessantesten ist vielleicht, dass sie zum Kühlen und Heizen der Innenräume von Gebäuden auf der Erde verwendet werden.
Sie tun dies, indem sie während der heißen Phasen einer Periode (ob Tag oder Jahreszeit) Wärme absorbieren und diese Wärme in den kühleren Phasen einer späteren Periode wieder abgeben. Sie wirken wie ein riesiger thermischer „Senk“, der das Aufheizen oder Abkühlen verzögert und alles um ihn herum isoliert.
Eine andere Möglichkeit, sich das vorzustellen, ist das Konzept der thermischen Trägheit. Wenn ein Objekt, beispielsweise ein Gebäude, in der Sonne steht, wird es direkt von den Sonnenstrahlen beeinflusst, wodurch es sich erwärmt. Wenn es hingegen nicht mehr in der Sonne steht, aber immer noch viel thermische Energie enthält, beginnt es, einen Teil dieser Wärme abzustrahlen. Im Vakuum wird Strahlungsenergie wie im Weltraum durch Infrarotlicht übertragen.
PCMs haben eine so große thermische Trägheit, weil sie beim Phasenwechsel, beispielsweise zwischen fest und flüssig oder zwischen flüssig und gasförmig, entweder viel Energie absorbieren oder abgeben. In dem Dokument wird beispielsweise die Verwendung von n-Octadecan als eines der in Betracht gezogenen PCMs beschrieben. Es wechselt seinen Zustand bei etwa 28 °C, also etwas über der Raumtemperatur. Damit ist es perfekt geeignet, um einen Raum auf ungefähr dieser Temperatur zu halten.
Two-bit DaVinci erklärt, wie PCMs in terrestrischen Häusern funktionieren. Quelle: Two-bit DaVinci YouTube-Kanal
Die Temperatur von etwas zu ändern, das mit PCMs gebaut wurde, ist viel komplizierter, und diese Herausforderung kann die Regulierung der Temperatur in einem Weltraumhabitat erleichtern. Die Forscher modellierten, was passieren würde, wenn ein Weltraumhabitat mit PCMs in den Wänden gebaut würde, und sie stellten fest, dass der Heiz- und Kühlaufwand, der erforderlich ist, um das Habitat in einem für Menschen angenehmen Temperaturbereich zu halten, deutlich abnimmt.
Bei der Berechnung wurden auch andere Faktoren berücksichtigt, wie beispielsweise die Reflektivität der Außenfläche der Wand und der aktuelle Sonnenzyklus. Die Autoren fanden jedoch heraus, dass die Planer unter optimalen Bedingungen einen Weltraumlebensraum ausschließlich mit PCMs vollständig passiv heizen und kühlen könnten.
Die Wärmekontrolle ist einer der Aspekte eines autarken Weltraumhabitats, wie Fraser mit Dr. Annika Rollock bespricht.
Das ist eine ziemlich beeindruckende Leistung, auch wenn die optimalen Bedingungen in der Praxis wahrscheinlich nie eintreten werden. Dennoch sind alle Energieeinsparungen, die die Materialien bieten, in einem Habitat willkommen, das wahrscheinlich zu Beginn unter Energiemangel leiden wird. Es gibt jedoch viele verschiedene Ideen, wie diese Habitate gebaut werden sollten, darunter die Verwendung von Regolith auf dem Mond.
Es ist unklar, wie praktikabel es wäre, PCMs in Höhlenwände oder andere Strukturen mit lokalen Materialien einzubauen. Die schiere Menge an PCMs, die zur thermischen Kontrolle eines riesigen menschlichen Lebensraums erforderlich ist, könnte bei den derzeitigen Preisen außerdem unerschwinglich teuer sein.
Materialien werden jedoch ständig verbessert, und die Verwendung dieser Materialien in diesem Zusammenhang bietet offensichtliche Vorteile. Auch wenn sie möglicherweise nicht in einige der ersten Habitate integriert werden, die die Menschheit im Weltraum baut, werden sie zweifellos in zukünftigen Habitaten zum Einsatz kommen, und dieser Artikel ist ein Schritt in diese Richtung.
Weitere Informationen:
A. Borshchak Kachalov et al, Vorentwurf eines Weltraumhabitats mit thermischer Kontrolle durch Phasenwechselmaterialien, Thermo (2023). DOI: 10.3390/thermo3020014