Warum sind die Kühler der ISS oder des Space Shuttles nicht schwarz?

Wie wir aus einer überraschenden Folge des Kirchhoffschen Wärmestrahlungsgesetzes wissen, absorbieren dunklere* Objekte mehr Licht (und damit Energie), dunklere Objekte strahlen auch mehr Licht (bei niedrigeren Temperaturen im Infrarotbereich) und damit Energie ab.

Betrachten Sie das folgende Foto der ISS:

Internationale Raumstation, fotografiert von einem STS-134-Besatzungsmitglied des Space Shuttle Endeavour am 29. Mai 2011

Internationale Raumstation, fotografiert von einem STS-134-Besatzungsmitglied des Space Shuttle Endeavour am 29. Mai 2011. Bildnachweis: NASA

Ich zähle zehn Heizkörper, alle hell oder metallisch. Die gleiche Art von Material erscheint auf den Kühlern des Space Shuttles, die sich auf der Innenseite der Nutzlasttüren befinden:

Das Space Shuttle Endeavour nähert sich der ISS während STS-118 am 10. August 2007

Das Space Shuttle Endeavour nähert sich der ISS während STS-118 am 10. August 2007. Bildnachweis: NASA

Was mir das sagt, ist, dass diese Heizkörper ineffizient sind.

Bei der Recherche zu dieser Frage habe ich festgestellt, dass der Konsens des Internets für terrestrische Heizkörper (z. B. zum Heizen) darin besteht, dass sich eine dunkle Beschichtung nicht lohnt: Verwenden Sie einfach einen größeren Heizkörper und bei Vorhandensein einer Atmosphäre die meiste Wärmeübertragung ist sowieso durch Konvektion.

Im Weltraum ist Effizienz jedoch von größter Bedeutung. Jemand muss all diese Paneele überprüfen, sie reparieren, Schäden wenn möglich reparieren usw. – ganz zu schweigen davon, all diese wertvollen Gramm überhaupt erst in den Orbit zu schleppen. Wenn Sie, sagen wir, eine Kohlenstoffnanoröhrenschicht darauf legen und eine weniger verwenden könnten, würden Sie nicht?

Meine Frage lautet also: Warum sind Heizkörper bei den speziellen Beispielen der ISS und des Space Shuttles nicht pechschwarz?


* Hinweis: dunkler ist hier nicht unbedingt im sichtbaren Bereich. Wenn diese Platten zum Beispiel eine niedrige Albedo im nicht sichtbaren Bereich haben, dann könnte das besser sein als ein schwärzeres Material mit einer höheren Albedo im nicht sichtbaren Bereich. Das würde sicherlich diese Heizkörper erklären.

Nebenbei bemerkt: Erdheizkörper arbeiten natürlich mit atmosphärischer Konvektion, was teilweise erklärt, warum die Strahlungsübertragung für sie weniger wichtig ist.
Dies ist nur eine Vermutung, ich vermute, dass es insgesamt effizienter ist, Photonen zurück in den Weltraum zu reflektieren, als die Wärme zu absorbieren und dann wieder abzustrahlen, daher ist glänzend besser.
Die Strahler sollten besonders bei IR-Frequenzen schwarz sein; nicht unbedingt auf sichtbaren Frequenzen. Außerdem ermöglichen spezielle Heizkörperbeschichtungen einen geringen Sonnenabsorptionsgrad (hauptsächlich UV-Frequenzen) und einen guten IR-Emissivitätsgrad (eine Referenz habe ich jetzt nicht zur Hand).
@GdD: Nicht wirklich; Die durchschnittliche Temperatur des Weltraums ist niedrig genug (einige Kelvin), dass es optimal ist, einfach effizient zu strahlen. Es gibt einige Punktquellen für Hochtemperaturstrahlung, aber sobald Sie die Sonne und vielleicht den Jupiter meiden, werden diese angesichts der Weite des Nichts-insbesonderen zur Bedeutungslosigkeit.

Antworten (1)

Das Kirchhoffsche Gesetz gilt nur für Objekte im Strahlungsgleichgewicht. Das Emissionsvermögen und das Absorptionsvermögen eines Materials sind für eine bestimmte Wellenlänge gleich, können jedoch für verschiedene Wellenlängen dramatisch variieren.

Die Strahler eines Raumfahrzeugs befinden sich nicht im Strahlungsgleichgewicht, da sie Wärme durch Strahlung verlieren. Sie geben Wärme im langwelligen Infrarotspektrum ab, empfangen aber Wärmeenergie (von der Sonne) im kurzwelligen Infrarot-, sichtbaren und UV-Bereich des Spektrums. (Sie empfangen auch langwelliges IR von der Erde, aber die Menge beträgt nur etwa 250 W/m 2 gegenüber 1300 W/m 2 für Sonnenlicht.) Dies bedeutet, dass der effektive Emissionsgrad und der Absorptionsgrad unterschiedlich sein können, während die Strahler in Betrieb sind.


Die Strahler auf der ISS sind eine weiße Farbe mit hohem Emissionsvermögen, was bedeutet, dass sie im Infrarotspektrum, in dem die Wärme abgegeben wird, dunkel sind. Sie sind im sichtbaren Spektrum weiß, um das Sonnenlicht zu reflektieren.

Die Radiatoren des Shuttles sind zweischichtig beschichtet: eine silberne reflektierende Schicht, die von einem dünnen Teflonfilm bedeckt ist. Die Teflonschicht ist für Infrarotlicht undurchlässig, sodass der hohe Emissionsgrad von Teflon dominiert. Sichtbares Licht durchdringt die Teflonschicht und wird von der Silberschicht reflektiert, sodass die Sonnenabsorption gering ist.

Die Radiatoren auf dem Shuttle sind direkterem Sonnenlicht ausgesetzt (die Radiatoren auf der ISS drehen sich so, dass sie normalerweise nahe an der Kante der Sonne stehen), weshalb sie das leistungsstärkere, aber teurere zweischichtige Design verwenden.

Danke, aber das wiederholt nur meinen genauen Punkt der Verwirrung. "Lichtfarben sind gute Strahler." ist offensichtlich falsch . Siehe zB hier : "Der Emissionsgrad ist gleich dem Absorptionsgrad". In Ihrem Link veranschaulicht die eingefügte Abbildung rechts meinen Standpunkt: Die schwarze Seite des Leslie-Würfels strahlt viel mehr Wärmestrahlung ab als die helle Seite. Im Weltraum können Sie die Strahler parallel zur Sonnenstrahlung ausrichten, daher vermute ich, dass die Absorption unbedeutend ist.
Das Gesetz von @imallett Kirchhoff gilt nur für einen Körper im Gleichgewicht; Der Heizkörper ist nicht im Gleichgewicht mit seiner Umgebung, da er Wärme abgibt. Die weißen und schwarzen Seiten des Leslie-Würfels erscheinen unter Infrarotlicht, wo die Energie emittiert wird, praktisch gleich (der Artikel sagt, dass Farbe "einschließlich Weiß" einen Emissionsgrad von etwa 0,9 hat). Wo Sonnenenergie absorbiert wird (im sichtbaren Spektrum), möchten wir so viel einfallende Energie wie möglich reflektieren, daher die weiße Farbe. Was passiert, wenn die Antriebsmotoren ausfallen?
Weiße Materialien sind nicht unbedingt gute Strahler von sichtbarer Lichtstrahlung. Da diese Materialien jedoch im IR emittieren und nicht sichtbar sind, ist dies nicht relevant.
@imallett, das linke Bild des Leslie-Würfels zeigt keinen Unterschied zwischen einer weißen und einer schwarzen Oberfläche. Es zeigt einen Unterschied zwischen einer schwarzen Oberfläche und einer polierten. Glänzende Oberflächen haben einen niedrigen Emissionsgrad.
@BowlOfRed Eine glänzende Oberfläche ist eine weiße Oberfläche mit einem hohen Spiegelexponenten.
@imallett unabhängig davon, was deine und meine Intuition sagt, die weiße Fläche auf der rechten Seite des Bildes ist genauso IR-hell wie die schwarze Fläche auf der linken Seite
@2012rcampion Ja. „Mit Ausnahme von blanken, polierten Metallen ist das Aussehen einer Oberfläche für das Auge kein guter Anhaltspunkt für Emissionsgrade nahe der Raumtemperatur. Daher absorbiert weiße Farbe sehr wenig sichtbares Licht. Allerdings bei einer Infrarotwellenlänge von 10x10^-6 Metern , Farbe absorbiert Licht sehr gut und hat einen hohen Emissionsgrad." Aus diesem Grund habe ich die Notiz in meinem ursprünglichen Beitrag geschrieben. Außer in diesem Fall sind die Kühler blankes, poliertes Metall. Siehe auch das Bild TildalWave ersetzt.¶ Was hat Ihr Kontakt gesagt?
@imallett Sie sollten Ihre Frage wahrscheinlich bearbeiten, um die Tatsache widerzuspiegeln (kein Wortspiel beabsichtigt), dass das Kirchhoffsche Gesetz hier nicht gilt: Tatsächlich ist der glänzende Heizkörper am effizientesten!