Los astronautas que realizan su trabajo en el espacio deben estar protegidos en todo momento contra el frío y el calor
Es frecuente leer u oÍr hablar sobre "las extremas condiciones del espacio...". Cuando vemos imágenes de un astronauta flotando ingrávido en el espacio o sobre la superficie lunar, sabemos que emplea un traje espacial porque, además de protegerle del vacío, éste debe proporcionarle una temperatura adecuada para vivir y desarrollar cómodamente su trabajo. ¿Cuál es la temperatura que está soportando el astronauta en el espacio? ¿Hace frío o calor en su entorno de trabajo?
El espacio no tiene temperatura como tal, ya que es un vacío. Sólo podemos asignar una temperatura a la radiación y la materia, de tal modo que de lo que podemos hablar es de las temperaturas de varios objetos que están presentes en el espacio, pero no del espacio en si mismo. Es evidente que de algún modo los cuerpos que irradian calor hacia el espacio -por ejemplo el Sol- afectan a la temperatura a la que se encuentran los objetos. ¿Cómo se transfiere el calor en el espacio?
La transferencia de calor puede realizarse de tres modos, en general:
1) Por conducción: por ejemplo, cuanto tocamos un metal caliente.
2) Por convección: un ejemplo clásico es el típico modelo del agua hirviendo en un recipiente que forma celdas convectivas que transportan el calor de la parte inferior a la superior del líquido.
3) Por radiación: por ejemplo, el calor del Sol que nos llega a la Tierra viajando a través del espacio.
A partir de estos ejemplos se puede deducir claramente que en el vacío del espacio la transferencia de calor debe producirse por radiación, pues de estos tres mecanismos sólo éste no requiere la presencia de materia como agente de transporte, mientras que los otros dos sí la requieren.
La radiación electromagnética puede viajar a través del vacío, de tal modo que los objetos que se hallen en el espacio con una temperatura por encima de la temperatura de la radiación de fondo cósmica (3.7 grados Kelvin, o -269.5°C) radiarán calor. Sin otra fuente de energía que pueda reemplazar esta pérdida -como, por ejemplo, una estrella cercana- cualquier objeto radiará energía en forma de calor, enfriándose irremediablemente.
Imagen: la temperatura que soportan de las sondas espaciales que han abandonado nuestro sistema planetario -como las Pioneers 10 y 11 o las Voyagers 1 y 2- se halla sólo a unos pocos grados por encima del cero absoluto, debido a que reciben muy poca radiación solar. Este tipo de vehículos necesitan una fuente de calor interna para que su instrumental pueda trabajar en estas extremas condiciones y para que el combustible que transportan no se congele.
Así, en el caso de un astronauta, la diferencia entre la cantidad de radiación total emitida y absorbida es lo que nos indica su temperatura. Es decir, éste no se encuentra en ningún medio que presente una temperatura determinada, sino que, al hallarse en el vacío, dicha temperatura dependerá de la distancia a las fuentes que radien energía. De esta forma, los objetos en el espacio que se encuentran expuestos al Sol pueden aumentar su temperatura rápidamente, pero les cuesta perder su calor. En cambio, los objetos que se hallan situados en zonas del espacio no iluminadas por el Sol -por ejemplo, tras la zona nocturna de la Tierra o sobre la superficie de la Luna cuando es de noche- se enfrían. En resumen, la temperatura de un astronauta depende fundamentalmente del lugar en el que éste se encuentre y de si éste se halla o no iluminado por el Sol.
Si escudásemos completamente del Sol a un astronauta, sólo expuesto a la radiación interplanetaria e interestelar, su temperatura iría descendiendo hasta llegar a muchos grados bajo cero. Si, por otra parte, éste se hallase girando en torno a la Tierra, sufriría periódicamente aumentos y disminuciones graduales de temperatura, debido a que su órbita lo haría atravesar las zonas iluminadas por el Sol y las zonas en sombra. Naturalmente hay variantes para cualquier otro caso que nos queramos imaginar (superficie lunar, asteroidal...).
Imagen: una puesta de Sol observada desde el la órbita terrestre. Un astronauta situado en el transbordador espacial o en la Estación Espacial Internacional (ISS) da una vuelta en torno a la Tierra en unos 90 minutos, de tal forma que ve un orto o un ocaso cada 45 minutos.
De todas formas, hay que considerar otros factores y aquí es donde entra en juego el traje espacial del astronauta.
¿Cómo proporciona protección el traje espacial?
Los astronautas que realizan su trabajo en el espacio deben estar protegidos en todo momento contra el frío y el calor. Uno de los factores que influyen en la temperatura que posee un cuerpo en el espacio es su eficiencia para absorber y emitir radiación. Por ejemplo, no absorbe de la misma manera el calor la superficie reflectante de una nave espacial -o la del traje de un astronauta- que la oscura superficie lunar. En el caso del traje de un astronauta, la cara sobre la que incide la luz solar suele hallarse a una temperatura de unos 120°C, mientras aquella expuesta a la oscuridad del espacio se suele estar a unos -120°C, como valores promedio.
Es esta la razón por la cual es necesario emplear material reflectante en los trajes espaciales: para rechazar (reflejar) la mayor cantidad posible de energía solar, de tal modo que el astronauta que se encuentra en su interior pueda hallarse a una temperatura adecuada para vivir y realizar su trabajo con la mayor comodidad. Lo mismo de puede decir en cierto modo con las naves tripuladas o las estaciones espaciales o de los planetas. La temperatura superficial de la Tierra depende -entre otros factores- de la proporción de calor solar reflejado hacia el espacio.
Imagen: las superficies de los vehículos espaciales y de los trajes que llevan los astronautas son muy reflectantes, de manera que puedan rechazar el calor procedente del Sol.
Naturalmente este no es el único sistema para permitir una temperatura adecuada: si un astronauta permaneciese horas en su traje espacial sin un sistema adecuado de ventilación, su propio calor corporal convertiría el interior del traje en un lugar excesivamente caliente y sofocante. Lo mismo de puede decir para las naves o estaciones espaciales. Es necesario, pues, un sistema térmico interno con el cual se pueda controlar la temperatura a la que realmente se trabaja.
Por ejemplo, los astronautas que vuelan en el transbordador y realizan salidas extravehiculares emplean una red de tubos de pequeño diámetro a través de los cuales circula agua y que se encuentran próximos al cuerpo del astronauta. El calor emitido por el propio "inquilino" del traje -debido a sus movimientos musculares- es transferido por el agua hacia una unidad de refrigeración que se halla en un compartimento trasero del traje, en donde el agua se pone en contacto con una placa porosa de metal situada en contacto con el vacío del espacio por uno de sus lados, atravesando lentamente los poros y congelándose, para ser progresivamente expulsada al exterior como vapor sublimado.
C&P
Las Extremas Condiciones del Espacio
Es frecuente leer u oÍr hablar sobre "las extremas condiciones del espacio...". Cuando vemos imágenes de un astronauta flotando ingrávido en el espacio o sobre la superficie lunar, sabemos que emplea un traje espacial porque, además de protegerle del vacío, éste debe proporcionarle una temperatura adecuada para vivir y desarrollar cómodamente su trabajo. ¿Cuál es la temperatura que está soportando el astronauta en el espacio? ¿Hace frío o calor en su entorno de trabajo?
El espacio no tiene temperatura como tal, ya que es un vacío. Sólo podemos asignar una temperatura a la radiación y la materia, de tal modo que de lo que podemos hablar es de las temperaturas de varios objetos que están presentes en el espacio, pero no del espacio en si mismo. Es evidente que de algún modo los cuerpos que irradian calor hacia el espacio -por ejemplo el Sol- afectan a la temperatura a la que se encuentran los objetos. ¿Cómo se transfiere el calor en el espacio?
La transferencia de calor puede realizarse de tres modos, en general:
1) Por conducción: por ejemplo, cuanto tocamos un metal caliente.
2) Por convección: un ejemplo clásico es el típico modelo del agua hirviendo en un recipiente que forma celdas convectivas que transportan el calor de la parte inferior a la superior del líquido.
3) Por radiación: por ejemplo, el calor del Sol que nos llega a la Tierra viajando a través del espacio.
A partir de estos ejemplos se puede deducir claramente que en el vacío del espacio la transferencia de calor debe producirse por radiación, pues de estos tres mecanismos sólo éste no requiere la presencia de materia como agente de transporte, mientras que los otros dos sí la requieren.
La radiación electromagnética puede viajar a través del vacío, de tal modo que los objetos que se hallen en el espacio con una temperatura por encima de la temperatura de la radiación de fondo cósmica (3.7 grados Kelvin, o -269.5°C) radiarán calor. Sin otra fuente de energía que pueda reemplazar esta pérdida -como, por ejemplo, una estrella cercana- cualquier objeto radiará energía en forma de calor, enfriándose irremediablemente.
Imagen: la temperatura que soportan de las sondas espaciales que han abandonado nuestro sistema planetario -como las Pioneers 10 y 11 o las Voyagers 1 y 2- se halla sólo a unos pocos grados por encima del cero absoluto, debido a que reciben muy poca radiación solar. Este tipo de vehículos necesitan una fuente de calor interna para que su instrumental pueda trabajar en estas extremas condiciones y para que el combustible que transportan no se congele.
Así, en el caso de un astronauta, la diferencia entre la cantidad de radiación total emitida y absorbida es lo que nos indica su temperatura. Es decir, éste no se encuentra en ningún medio que presente una temperatura determinada, sino que, al hallarse en el vacío, dicha temperatura dependerá de la distancia a las fuentes que radien energía. De esta forma, los objetos en el espacio que se encuentran expuestos al Sol pueden aumentar su temperatura rápidamente, pero les cuesta perder su calor. En cambio, los objetos que se hallan situados en zonas del espacio no iluminadas por el Sol -por ejemplo, tras la zona nocturna de la Tierra o sobre la superficie de la Luna cuando es de noche- se enfrían. En resumen, la temperatura de un astronauta depende fundamentalmente del lugar en el que éste se encuentre y de si éste se halla o no iluminado por el Sol.
Si escudásemos completamente del Sol a un astronauta, sólo expuesto a la radiación interplanetaria e interestelar, su temperatura iría descendiendo hasta llegar a muchos grados bajo cero. Si, por otra parte, éste se hallase girando en torno a la Tierra, sufriría periódicamente aumentos y disminuciones graduales de temperatura, debido a que su órbita lo haría atravesar las zonas iluminadas por el Sol y las zonas en sombra. Naturalmente hay variantes para cualquier otro caso que nos queramos imaginar (superficie lunar, asteroidal...).
Imagen: una puesta de Sol observada desde el la órbita terrestre. Un astronauta situado en el transbordador espacial o en la Estación Espacial Internacional (ISS) da una vuelta en torno a la Tierra en unos 90 minutos, de tal forma que ve un orto o un ocaso cada 45 minutos.
De todas formas, hay que considerar otros factores y aquí es donde entra en juego el traje espacial del astronauta.
¿Cómo proporciona protección el traje espacial?
Los astronautas que realizan su trabajo en el espacio deben estar protegidos en todo momento contra el frío y el calor. Uno de los factores que influyen en la temperatura que posee un cuerpo en el espacio es su eficiencia para absorber y emitir radiación. Por ejemplo, no absorbe de la misma manera el calor la superficie reflectante de una nave espacial -o la del traje de un astronauta- que la oscura superficie lunar. En el caso del traje de un astronauta, la cara sobre la que incide la luz solar suele hallarse a una temperatura de unos 120°C, mientras aquella expuesta a la oscuridad del espacio se suele estar a unos -120°C, como valores promedio.
Es esta la razón por la cual es necesario emplear material reflectante en los trajes espaciales: para rechazar (reflejar) la mayor cantidad posible de energía solar, de tal modo que el astronauta que se encuentra en su interior pueda hallarse a una temperatura adecuada para vivir y realizar su trabajo con la mayor comodidad. Lo mismo de puede decir en cierto modo con las naves tripuladas o las estaciones espaciales o de los planetas. La temperatura superficial de la Tierra depende -entre otros factores- de la proporción de calor solar reflejado hacia el espacio.
Imagen: las superficies de los vehículos espaciales y de los trajes que llevan los astronautas son muy reflectantes, de manera que puedan rechazar el calor procedente del Sol.
Naturalmente este no es el único sistema para permitir una temperatura adecuada: si un astronauta permaneciese horas en su traje espacial sin un sistema adecuado de ventilación, su propio calor corporal convertiría el interior del traje en un lugar excesivamente caliente y sofocante. Lo mismo de puede decir para las naves o estaciones espaciales. Es necesario, pues, un sistema térmico interno con el cual se pueda controlar la temperatura a la que realmente se trabaja.
Por ejemplo, los astronautas que vuelan en el transbordador y realizan salidas extravehiculares emplean una red de tubos de pequeño diámetro a través de los cuales circula agua y que se encuentran próximos al cuerpo del astronauta. El calor emitido por el propio "inquilino" del traje -debido a sus movimientos musculares- es transferido por el agua hacia una unidad de refrigeración que se halla en un compartimento trasero del traje, en donde el agua se pone en contacto con una placa porosa de metal situada en contacto con el vacío del espacio por uno de sus lados, atravesando lentamente los poros y congelándose, para ser progresivamente expulsada al exterior como vapor sublimado.
C&P