Warum wird Gold in der Weltraumtechnik zum Schutz vor Wärmestrahlung eingesetzt?

Es ist nicht wirklich Gold, aber ich denke, das ist ein weit verbreitetes Missverständnis, also gestatten Sie mir, das etwas näher auszuführen.

Das Material, mit dem die Satelliten bedeckt sind, ist keine normale Folie, sondern nur die äußere Schicht aus sogenannter " Multi Layer Insulation " oder MLI. Das bedeutet, dass es mehrere Folienschichten gibt, die jeweils durch einen Abstandshalter getrennt sind, sodass die Übertragung zwischen den Schichten durch Strahlung und nicht durch Wärmeleitung erfolgt. Dadurch wird die Wärmeübertragung zwischen den beiden Seiten der Isolierung stark eingeschränkt.

Das bedeutet, dass die empfindlichen Teile des Satelliten (die Batterien sind in der Regel am kritischsten) vor Temperaturschwankungen auf der Oberfläche geschützt sind, beispielsweise wenn der Satellit den Erdschatten durchquert.

Wenn der Satellit jedoch jahrelang dort draußen bleibt, wird kein thermischer Widerstand der Welt den Satelliten davon abhalten, schließlich eine Gleichgewichtstemperatur zu erreichen, bei der die Menge an Energie, die in den Satelliten geht, mit derjenigen übereinstimmt, die ausgeht. Bei welcher Temperatur dies geschieht, können Sie aber beeinflussen, indem Sie spezielle Oberflächen verwenden.

Um dies zu veranschaulichen, schauen wir uns einige Beispiele aus dem mehr oder weniger täglichen Leben an:

Wenn Sie etwas in einen Konvektorofen stellen (der durch Zirkulieren heißer Luft funktioniert), sagen wir bei 200 ° C (400 ° F), wird es schließlich auch 200 ° C heiß sein. Dasselbe passiert, wenn Sie etwas mit Infrarotlicht aus allen Richtungen erhitzen. Wenn Ihre Lichtquelle 400°C (750°F) heiß ist, wird das Objekt, auf das das Licht fällt, schließlich auch 400°C heiß sein.

Aber ist Ihnen schon einmal aufgefallen, dass sich an einem heißen Sommertag eine graue Betonwand in der Sonne nur anfühlt, während Edelstahl, zum Beispiel einer Rutsche, glühend heiß sein kann? Reflektiert das polierte Metall nicht mehr Licht als die graue Wand? Die spezielle Weltraumfolie von Satelliten würde sich kaum erwärmen.

Die Antwort darauf, warum das so ist, liegt in der unterschiedlichen Wellenlänge des emittierten und des absorbierten Lichts.

Dinge senden im Allgemeinen Strahlung mit einer Wellenlänge aus, die umgekehrt proportional zu ihrer Temperatur ist, dies ist Schwarzkörperstrahlung . Die Sonne strahlt also sichtbares Licht aus (weil es sehr heiß ist), während Sie Infrarotlicht ausstrahlen, das eine viel höhere Wellenlänge hat (weil Sie viel kühler sind).

Wie viel dieser Energie strahlen die Dinge aus? Es kommt auf die Ausstrahlung an$\epsilon$der Oberfläche dieses Objekts. Hohe Emittanz bedeutet, dass das Objekt durch Strahlung schneller abkühlt, wenn die Umgebung kühl ist. Niedrige Emittanz bedeutet, dass das Objekt länger warm bleibt, selbst wenn die Umgebung kühl ist.

Eine andere Menge ist$\alpha$, die Absorptionsfähigkeit. Hoch$\alpha$bedeutet, dass das Objekt in unserem Infrarotofen schneller erhitzt wird. Die Faktoren$\alpha$Und$\epsilon$sind der Unterschied zwischen Schwarzkörperstrahlung und "Graukörperstrahlung", die im Grunde gleich ist. Diese Faktoren erklären nur die Tatsache, dass nicht alle Oberflächen schwarz sind, was bedeutet, dass einige Oberflächen Licht reflektieren.

Lustige Sache: Für jede gegebene Wellenlänge$\alpha$ist immer gleich$\epsilon$. Deshalb nimmt das Objekt in unserem Strahlungsofen (wo das IR-Licht aus allen Richtungen kommt) die Temperatur des Ofens an, selbst wenn sich der Ofen im Vakuum befindet.

Aber das Sonnenlicht kommt nur aus einer Richtung, sodass der Satellit (oder die Wand oder die Rutsche) in die anderen Richtungen strahlen kann und niemals so heiß sein wird wie die Oberfläche der Sonne, sodass das von ihm emittierte Schwarzkörperlicht eine andere Wellenlänge hat als die Strahlung, die es empfängt. Und das ist wichtig, denn während$\alpha$Und$\epsilon$immer gleich sind, sind sie für verschiedene Wellenlängen unterschiedlich.

(Ich rate Ihnen, dies für eine Sekunde zu verinnerlichen, bevor Sie weiterlesen.)

Normalerweise, wenn wir über das Absorptionsvermögen sprechen$\alpha$, wir meinen die Absorptionsfähigkeit im Sonnenlicht,$\alpha_s$(s für solar), denn das ist der Absorptionsgrad für das Licht, das der Satellit am meisten empfängt. Da die Temperatur des Satelliten dazu führt, dass er Infrarotlicht aussendet, wird die$\epsilon$Wir reden normalerweise darüber$\epsilon_{IR}$(IR für ... Sie wissen schon).

Ein Körper mit einem hohen Verhältnis von$\frac{\alpha_s}{\epsilon_{IR}}$wird in der Sonne sehr heiß, auch wenn beide Werte sehr niedrig sind. Beide Werte sind für den polierten Stahl des Schlittens recht niedrig, aber$\epsilon_{IR,Steel}=0.05$ist noch niedriger als$\alpha_{s,Steel}=0.37$.

Als Nebenbemerkung, Absorptionsvermögen + Reflexionsvermögen + Transmission = 1, bedeutet dies, dass alles Licht entweder absorbiert oder reflektiert oder durch eine Oberfläche gelassen wird.

Da die Sonne im Weltraum sehr hell ist, möchten wir normalerweise eine Oberfläche schaffen, die viel im Infraroten emittiert und bei den stärksten Wellenlängen der Sonne wenig absorbiert.

Zu diesem Zweck nutzen Hersteller von Mehrschichtdämmungen den Spiegeleffekt der zweiten Oberfläche:

(Bild aus dem Multek/Sheldahl-Katalog, vermutlich faire Verwendung)

Sie verwenden als Abdeckung (Substrat) ein für die Sonnenstrahlung durchlässiges und im Infraroten stark emittierendes Material. Dies ist oft bräunliches Kapton. Darunter haben sie ein Material, das möglichst viel Sonnenlicht reflektiert, meist Silber oder Aluminium. Gold wäre eine schlechte Wahl, da es, wie Sie richtig angemerkt haben, ein ziemlich hohes Absorptionsvermögen hat.

Auf diese Weise haben sie das niedrigstmögliche Verhältnis von$\frac{\alpha_s}{\epsilon_{IR}}$, was bedeutet, dass die Gleichgewichtstemperatur des Satelliten so niedrig wie möglich bleibt.

Was Sie also sehen, ist kein Gold, sondern eine dünne Schicht aus braunem Kunststoff über einer Oberfläche aus Silber oder Aluminium.

Siehe auch:

Einige weitere Werte von$\epsilon$Und$\alpha$

Astronauten-Raumanzüge verwenden Gold (dünne Schicht)

Die Goldbeschichtung schützt die Augen vor schädlichem Sonnenlicht

Gold wird auch von der NASA beim Bau von Raumanzügen verwendet. Aufgrund seiner hervorragenden Fähigkeit, Infrarotlicht zu reflektieren und gleichzeitig sichtbares Licht durchzulassen, sind die Visiere der Astronauten mit einer dünnen Goldschicht versehen, um ihre Augen vor ungefiltertem Sonnenlicht zu schützen.

Satelliten nicht

Sie verwenden eine mehrschichtige Isolierung, siehe Antwort von Rikki-Tikki-Tavi