Trenutno, 'Voyageri' su na preko 130 odn. 156 AJ od kuće. Kad bi imali termometre, šta misliš koliku bi temperaturu pokazivali?
Ako ćemo da teramo mak na konac u vezi s tim, nije previše smisleno govoriti o 'temperaturi' u slučaju 'Voyagera'. Dopusti da objasnim zašto.
Ali najpre... zamisli da na trenutak izađeš napolje. Recimo da je ugodnih 20 stepeni Celzijusa. Nema vetra, a vlaga normalna (sa malo smoga). Ali Sunce ti je tačno iznad glave, sjajno sja. Ubrzo ti postaje toplo i skidaš jaknu.
Nekoliko sati kasnije, počinje da pada noć. Temperatura je i dalje 20 stepeni a noć je savršeno bez oblaka. I dalje nema vetra, i dalje je normalna vlažnost. Ako izađeš napolje, uskoro će ti postati malo sveže. Ubrzo se odlučuješ da obučeš duks ili džemper jer ti je, eto, hladno.
Kako je to moguće? U oba slučaja temperatura vazduha je 20 stepeni Celzijusa. Kako može da ti bude vruće danju, a hladno noću?
Očito je, zar ne. Sunce sija tokom dana. Noću, pogotovo u noći bez oblaka, ne samo da nema Sunca, već naša tela slobodno zrače toplotu u hladno, tamno nebo.
Ukratko, naše telo izmjenjuje toplotu s okolinom na više načina. Da, naše telo je u kontaktu sa okolnim vazduhom, tako da postoji sprovođenje toplote, a takođe i konvekcija toplote. Ali postoji i radijaciona izmena toplote. Tokom dana upijamo puno dodatne toplote od Sunca, tako da nismo u toplotnoj ravnoteži s okolnim vazduhom. Suprotno tome, tokom noći zračimo puno toplote u nebo (u osnovi, u duboki svemir) pa opet nismo u ravnoteži s okolnim vazduhom.
Vitalni izvor života na 'Voyagerima' jeste struja. Nju obezbeđuje po tri termoelektrična generatora. Toplota koju proizvodi raspad plutonijuma prolazi kroz bimetal, stvara struju, a onda preko radijatorskih panela odlazi u kosmos.
Grafikon koji prikazuje proizvodnju struje u RTG-ovima. Pored 'Voyagera', radi poređenja su prikazani podaci i za komunikacione satelite LES 8 i 9, 'Galileo' i 'Ulysses'. RTG-3 na 'Voyageru 2' još uvek radi ali ne radi senzor, tako da nije prikazan ovde. Pošto su RTG-ovi na oba 'Voyagera' napravljena u isto vreme, očekuje se i da će prestati da rade otprilike u isto vreme.
Sada da se vratim na slučaj udaljenih kosmičkih sondi poput 'Voyagera'. One već decenijama putuju kroz okruženje koje predstavlja gotovo savršeni vakuum. U njemu postoje neke čestice: zalutali atomi (uglavnom vodonikovi), naelektrisane čestice solarnog vetra, naelektrisane čestice iz međuzvezdanog medija, itd. Ali sve one su izuzetno malobrojne[1]. Bilo koja toplotna energija koja se razmjenjuje s tim česticama provođenjem (kondukcijom) ili konvekcijom biće apsolutno zanemariva. Dakle, zapravo nije važno ima li solarni vetar temperaturu od 1 stepen kelvina ili milion stepeni (ili ima li čak bilo kakvu temperaturu; protok čestica tako velike brzine nije nužno u stanju koje može biti razumno opisano temperaturnom vrednošću); neće osetno uticati na temperaturu sonde.
Sonde takođe primaju svetlost (toplotu) sa udaljenog Sunca[2], od čega deo apsorbuju[3]. I toplotu koju stvaraju nuklearni generatori i sama elektronika sonde zrači u duboki svemir. Matematika je zapravo prilično jednostavna. Ako je jedna sonda udaljena od Sunca koliko i Zemlja, dobijala bi oko 1370 vati solarnog greanja po kvadratnom metru. (Taj se broj u nekoj literaturi naziva solarnom konstantom.) No 'Voyager 1' je preko 156 puta udaljeniji od Zemlje, a intenzitet Sunčevog zagrevanja proporcionalan je obrnutom kvadratu udaljenosti. Dakle, 'Voyager 1' od Sunca prima samo oko 56 milivata toplote po kvadratnom metru[4]. Sada zamisli (samo da bi stvari bile jednostavnije) da je kosmička sonda koju neki Zemljani nazivaju MJS-1 a neki 'Voyager 1' sferna, i da joj je površina poprečnog preseka 1 kvadratni metar. Još od Arhimeda (pre 2200 godina) znamo da bi ukupna površina takve sferne letilice iznosila 4 kvadratna metra. Ako je u termalnom ekvilibrijumu(temperaturnoj ravnoteži) sa svojom okolinom, znači da zrači tih 56 mW toplote u duboki svemir. Takozvani Štefan[5]-Bolcmanov zakon nam govori kako su njegova temperatura T i izračena snaga P povezani: P=σAT4, gde je A površina, a σ Štefan-Bolcmanova konstanta. Rešavajući jednačinu po T, dobijamo T∼23 K .
Dakle, da je 'Voyager 1' tzv. termodinamičko crno telo, merio bi temperaturu od oko 23 Kelvinova stepena na 156 AJ od Sunca. Ali to ne znači da je to temperatura međuplanetnog/međuzvezdanog medija na tom mestu. Zapamtite, provođenje toplote i konvekcija toplote su prilično nevažni u okruženju koje je milion puta bolji vakuum od bilo kojeg koji možemo da stvorimo u zemaljskim laboratorijama. Ovo je samo ravnotežna temperature same letjelice.
Tačnije, to bi bila ravnotežna temperatura mrtve svemirske letilice. Ali 'Voyager 1' još nije sasvim mrtav. Na brodu postoji izvor energije: radioizotopski termoelektrični generator (MHW-RTG) koji proizvodi kilovate otpadne toplote, pa čak i sada oko par stotina vati električne energije[6]. Većina te električne energije koristi se za napajanje podsistema svemirske letilice i na kraju se pretvara u toplotu. Dakle, na brodu je mnogo viška toplote, bez obzira na male količine solarnog grejanja koje letilica neprestano prima. Dakle, njena unutrašnjost je još uvek na pristojnoj temperaturi, dobro unutar margina radne specifikacije. I to će tako ostati sve dok se letica ne ugasi, dok joj se ne potroši napajanje. Čak i tada će biti zaostalog grejanja iz nuklearnog goriva u generatorima. Kad to nestane, stolećima od sada, svemirska letilica će polako doći do ravnotežne temperature koja će bito određena količinom Sunčeve svetlosti koju prima, kao i vlastitim toplotnim svojstvima: koliko dobro apsorbuje Sunčevu svetlost i koliko lako emituje toplotno (infracrveno) zračenje . Ove karakteristike su, zapravo, deo specifikacija letilice i korišćene su u inženjerskim proračunima prilikom projektovanja letilice, a posebno njenog toplotnog upravljanja.
Ilustracija prikazuje kako Nasin 'Habl' teleskop gleda svetlosnim godinama duž putanja sondi 'Voyager' kroz međuzvezdani prostor.
[1] Jedno od najčešćih pitanja na raznim forumima, a isto toliko odgovora. Wikipedija kaže da u 1 cm3 hladnog i gustog međuzvezdanog medija ima oko milion (106) molekula gasova. Na Zemlji, na nivou mora ima ih oko 1019, a u našim laboratorijama oko 1010 u vakuumskim komorama. Brojčano, oko 91% su atomi vodonika, itd.
Međutim, neki drugi proračuni kažu da u 1 m3 međuzvezdanog prostora ima 0,25 atoma a neko kaže 1 atom.
[2] Na toj daljini, sonde 'vide' Sunce i ono je i dalje daleko najblještaviji objekat na njihovom nebu – čovek ne bi smeo da gleda u njega! – iako je jačina svetla opala preko 20.000 puta.
[3] Ko voli šerlok-holmovske zagonetke, preporučujem mu da pročita kako je jedan mladi Rus rešio zagonetku koja je pretila da sruši temelje nauke, pa čak i samog Njutna. Ima veze s ovom temom.
[4] 'Voyager 2' nam je oko 25 AJ bliži, pa prima malo više energije od Sunca: oko 80 milivata.
[5] Matematičar i fizičar Jožef Štefan je bio Slovenac koji je sa samo 23 godine doktorirao u Beču. Bolcman je bio njegov student.
[6] U vreme lansiranja, RTG je davao oko 470 W struje. Plutonijumsko gorivo ima vreme poluraspada oko 87,8 godina, tako da je danas ostalo samo oko 70,38% plutonijuma-238.. Oko 2050, ostaće ga 56,5%, što je ispod količine koja je minimalno potrebna za rad predajnika. Računa se da se svake godine gubi oko 0.8% stuje
Da bi sačuvao struju, NASA je 2011. isključila na sondi grejač ultraljubičastog spektrometra. On je bio projektovan da radi na najnižoj temperaturi od -35ºC, ali je nakon isključivanja grejača nastavio sa radom i na -79ºC. Inženjeri misle da je nastavio da radi i dalje, ali detektor temperature ne može da meri ispod toga. Danas je spektrometar isključen.
NASA ponovo uspostavila kontakt sa 'Voyagerom 2'
Epopeja VOYAGER elektronska knjiga o Vojadžeima (Draško Dragović)
