Isolamento multicamadas - Multi-layer insulation

Close do isolamento multicamadas de um satélite. As camadas de plástico revestidas de metal e o separador de tecido são visíveis.

O isolamento multicamadas ( MLI ) é o isolamento térmico composto por várias camadas de folhas finas e é frequentemente usado em naves espaciais e criogenia . Também conhecido como superisolamento, o MLI é um dos principais itens do projeto térmico da espaçonave , com o objetivo principal de reduzir a perda de calor por radiação térmica . Em sua forma básica, não isola significativamente contra outras perdas térmicas, como condução de calor ou convecção . Portanto, é comumente usado em satélites e outras aplicações no vácuo, onde a condução e a convecção são muito menos significativas e a radiação domina. O MLI dá a muitos satélites e outras sondas espaciais a aparência de estarem cobertos com uma folha de ouro, que é o efeito da camada Kapton âmbar depositada sobre o mylar Aluminizado prateado .

Para aplicações que não sejam de espaçonaves, o MLI funciona apenas como parte de um sistema de isolamento a vácuo. Para uso em criogenia, o MLI embalado pode ser instalado dentro do anel de tubos com camisa a vácuo. O MLI também pode ser combinado com isolamento a vácuo avançado para uso em aplicações de alta temperatura.

Função e design

As áreas douradas são cobertores MLI no Mars Reconnaissance Orbiter

O princípio por trás do MLI é o balanço de radiação. Para ver por que funciona, comece com um exemplo concreto - imagine um metro quadrado de uma superfície no espaço sideral, mantida a uma temperatura fixa de 300 K, com emissividade de 1, de costas para o sol ou outras fontes de calor. A partir da lei de Stefan-Boltzmann , esta superfície vai irradiar 460 W. Agora imagine colocando uma camada fina (mas opaco) 1 cm de distância da placa, também com uma emissividade de 1. Esta nova camada irá arrefecer até que esteja irradiando 230 W a partir de cada lado, ponto em que tudo está em equilíbrio. A nova camada recebe 460 W da placa original. 230 W são irradiados de volta para a placa original e 230 W para o espaço. A superfície original ainda irradia 460 W, mas obtém 230 W de volta das novas camadas, para uma perda líquida de 230 W. Portanto, no geral, as perdas de radiação da superfície foram reduzidas pela metade com a adição da camada adicional.

O limitador de corrente de falha supercondutor coberto por uma manta MLI

MLI cobrindo o escudo térmico da sonda Huygens

Mais camadas podem ser adicionadas para reduzir ainda mais a perda. A manta pode ser melhorada tornando as superfícies externas altamente refletivas à radiação térmica , o que reduz a absorção e a emissão. O desempenho de uma pilha de camadas pode ser quantificado em termos de seu coeficiente geral de transferência de calor U , que define a taxa de fluxo de calor radiativo Q entre duas superfícies paralelas com uma diferença de temperatura e a área A como ${\ displaystyle \ Delta T}$

${\ displaystyle Q = UA \ Delta T.}$

Teoricamente, o coeficiente de transferência de calor entre duas camadas com emissividades e , sob vácuo, é ${\ displaystyle \ epsilon _ {1}}$${\ displaystyle \ epsilon _ {2}}$

${\ displaystyle U = A \ sigma T ^ {4} {\ frac {1} {1 / \ epsilon _ {1} + 1 / \ epsilon _ {2} -1}},}$

onde T é a média das temperaturas (em K) das duas camadas e Wm ⁻² K ⁻⁴ é a constante de Stefan-Boltzmann. Se cada camada tiver a mesma emissividade em ambos os lados, uma pilha de N camadas colocadas entre duas superfícies de alta emissividade terá um coeficiente geral de transferência de calor ${\ displaystyle \ sigma = 5,7 \ times 10 ^ {- 8}}$${\ displaystyle \ epsilon}$

${\ displaystyle U = A \ sigma T ^ {4} {\ frac {1} {N (2 / \ epsilon -1) +1}}.}$

Claramente, aumentar o número de camadas e diminuir a emissividade diminui o coeficiente de transferência de calor, que é equivalente a um valor de isolamento mais alto. Nesta equação, assume-se que a diferença de temperatura é pequena em comparação com a temperatura absoluta. No espaço, onde a temperatura externa aparente poderia ser de 3 K ( radiação cósmica de fundo ), o valor exato de U é diferente.

Alumínio revestido em ambos os lados dessas folhas MLI com camada externa mais espessa (esquerda), espaçador de rede branca (meio) e camada interna mais fina (direita) que também é enrugada para fornecer separação adicional entre as camadas. As folhas são perfuradas para permitir a passagem de ar durante o lançamento.

As camadas de MLI podem estar arbitrariamente próximas umas das outras, desde que não estejam em contato térmico. O espaço de separação só precisa ser minúsculo, que é a função da tela extremamente fina ou 'véu de noiva' de poliéster, conforme mostrado na foto. Para reduzir o peso e a espessura da manta, as camadas internas são feitas muito finas, mas devem ser opacas à radiação térmica. Como não precisam de muita resistência estrutural, essas camadas internas são geralmente feitas de plástico muito fino, com cerca de 6 μm (1/4 mil) de espessura, como Mylar ou Kapton , revestido em um ou ambos os lados com uma fina camada de metal , normalmente prata ou alumínio . Para compactação, as camadas são espaçadas o mais próximo possível, embora sem se tocar, uma vez que deve haver pouca ou nenhuma condução térmica entre as camadas. Uma manta isolante típica tem 40 ou mais camadas. As camadas podem ser gofradas ou enrugadas, de modo que só se tocam em alguns pontos, ou mantidas separadas por uma malha de tecido fina, ou tela , que pode ser vista na foto acima. As camadas externas devem ser mais fortes e geralmente são de plástico mais espesso e forte, reforçado com um material de tela mais forte, como fibra de vidro.

Em aplicações de satélite, o MLI estará cheio de ar na hora do lançamento. Conforme o foguete sobe, esse ar deve ser capaz de escapar sem danificar o cobertor. Isso pode exigir orifícios ou perfurações nas camadas, embora isso reduza sua eficácia.

Em criogenia, o MLI é o tipo de isolamento mais eficaz. Portanto, é comumente usado em tanques de gás liquefeito (por exemplo , LNG , LN ₂ , LH ₂ , LO ₂ ), criostatos , dutos criogênicos e dispositivos supercondutores . Além disso, é valorizado por seu tamanho e peso compactos. Uma manta composta por 40 camadas de MLI tem espessura de cerca de 20 mm e peso de aproximadamente 1,2 kg / m ² .

Os métodos tendem a variar entre os fabricantes, com algumas mantas MLI sendo construídas principalmente com tecnologia de costura. As camadas são cortadas, empilhadas umas sobre as outras e costuradas nas bordas.

Outros métodos mais recentes incluem o uso de desenho assistido por computador e fabricação de Computer-aided tecnologia para soldar um contorno preciso da forma cobertor final usando ultra-sônica de soldagem em um "pacote" (o conjunto final de camadas antes da "pele" externa é adicionada à mão.)

Costuras e lacunas no isolamento são responsáveis ​​pela maior parte do vazamento de calor através das mantas MLI. Um novo método está sendo desenvolvido para usar alfinetes de polieteretercetona (PEEK) (semelhantes aos ganchos de plástico usados ​​para prender etiquetas de preços em roupas) para fixar as camadas de filme no lugar em vez de costurar para melhorar o desempenho térmico.

Propriedades Adicionais

A nave espacial também pode usar MLI como uma primeira linha de defesa contra impactos de poeira. Isso normalmente significa espaçá-lo a cerca de um centímetro da superfície que ele está isolando. Além disso, uma ou mais das camadas podem ser substituídas por um material mecanicamente forte, como pano beta .

Na maioria das aplicações, as camadas isolantes devem ser aterradas, para que não possam formar carga e arco, causando interferência de rádio. Uma vez que a construção normal resulta em isolamento elétrico e térmico, essas aplicações podem incluir espaçadores de alumínio em oposição a telas de tecido nos pontos onde as mantas são costuradas juntas.

Usando materiais semelhantes, o isolamento de camada única e o isolamento de camada dupla (SLI e DLI, respectivamente) também são comuns em espaçonaves.

Veja também

• Vagão-tanque de hidrogênio líquido , no qual uma forma de isolamento multicamadas é aplicada
• Subsistema de controle térmico

Referências

links externos

• "Tão bom quanto ouro: os satélites são cobertos por uma folha de ouro?" . Serviço Nacional de Satélite, Dados e Informações Ambientais . 8 de janeiro de 2016.
• Satellite Thermal Control Handbook , ed. David Gilmore. ISBN  1-884989-00-4 . Em particular, Capítulo 5, Isolamento , de Martin Donabedian e David Gilmore.
• Tutorial sobre controle de temperatura de espaçonaves por JPL
• "Cassini veste seu manto térmico" (Comunicado de imprensa). NASA JPL . 03/01/1997. Arquivado do original em 04/09/2007 . Página visitada em 2009-01-08 .
• Artigo típico de especialista em testes de MLI da Cassini
• Aplicativos de isolamento multicamadas (MLI)
• Publicação da NASA de diretrizes de material de isolamento multicamada de 1999 https://ntrs.nasa.gov/citations/19990047691
• Tipos e propriedades de MLI