Kühlung eines Satelliten

Typischerweise verwenden Satelliten Strahlungskühlung, um ein thermisches Gleichgewicht bei einer gewünschten Temperatur aufrechtzuerhalten.

Wie sie dies tun, hängt stark von den Besonderheiten der Umlaufbahn des Satelliten um die Erde ab. Beispielsweise haben sonnensynchrone Satelliten typischerweise immer eine Seite im Sonnenlicht und eine Seite im Dunkeln. Diese sind besonders kühl zu halten, da Sie auf der sonnenzugewandten Seite eine weiße Beschichtung und auf der dunklen Seite eine schwarze Beschichtung auftragen können. Die weiße Beschichtung hat einen niedrigen Wert für die Strahlungsabsorption, während die schwarze Beschichtung einen hohen Wert für die Strahlungsemission hat. Dadurch kann es möglichst wenig Licht absorbieren und gleichzeitig mehr Wärmestrahlung abgeben.

Unterschiedliche Arten von Satelliten haben unterschiedliche Strategien zur Kühlung, aber im Allgemeinen wird die Kühlung erreicht, indem funktionelle Beschichtungen auf das Raumfahrzeug aufgebracht werden, die das Absorptionsvermögen/Emissionsvermögen/Reflexionsvermögen seiner verschiedenen Oberflächen verringern oder erhöhen. Beim Entwurf eines Satelliten führen die Raumfahrtingenieure thermische Analysen und viele Berechnungen durch, um zu bestimmen, welche Oberflächen welche Absorptionswerte aufweisen müssen, damit der Satellit die gewünschte Temperatur hält.

Es fällt mir schwer, genauer zu sein. Aber das ist der Grund, warum jeder gute Weltraumingenieur weiß, wie man innerhalb von ein oder zwei Tagen eine Beschichtung mit den gewünschten Absorptions-/Emissionsvermögenswerten findet.

Beispielsweise verfügt die Internationale Raumstation (ISS) über externe Wärmestrahler. Sie sehen ähnlich wie Sonnenkollektoren aus, zeigen aber nicht mit der flachen Seite zur Sonne, sondern ins Leere. Ein Ammoniakkreislauf transportiert Wärme von verschiedenen Teilen der Raumstation zu den Heizkörpern.

Dies ist ein Bild von einem Heizkörper: ( Quelle )

• Externes aktives thermisches Kontrollsystem auf Wikipedia

Der Satellit selbst kann mit Strahlungskühlung auskommen, aber einige Instrumente an Bord, zB IR-Sensoren, erfordern Temperaturen von weniger als 4 K, für die Helium-Dewargefäße verwendet werden. Bolometer benötigen noch niedrigere Temperaturen (im mK-Bereich).

Eine gute Zusammenfassung finden Sie hier .

Es gibt mehrere Möglichkeiten für das Wärmemanagement (Kühlen und Heizen) eines Satelliten und allgemein eines Raumfahrzeugs. Wärme kann dem Raumfahrzeug im Weltraum nur durch Strahlung entzogen werden, vorausgesetzt, dass sich das Raumfahrzeug außerhalb der Atmosphäre eines Planeten wie der Erde oder Titan (größter Saturnmond) oder Mars befindet. Eine Kombination aus einem oder mehreren Verfahren des Wärmemanagements kann verwendet werden, abhängig von mehreren Faktoren wie dem Flugeinsatz, dem zulässigen Temperaturbereich, den Heiz- und Kühllasten, der Einsatzdauer, ob der Einsatz bemannt oder unbemannt ist, und dem verfügbaren Budget. Hier ist ein Beispiel:

1. Verwendung von Beschichtungen und Decken, um das Raumfahrzeug vom Weltraum zu isolieren. Dadurch wird die Sonneneinstrahlung auf das Raumfahrzeug blockiert. Es hält auch das Raumfahrzeug warm und es werden zusätzliche Heizungen verwendet, um einen gewünschten Temperaturbereich aufrechtzuerhalten. Überschüssige erzeugte Wärme wird dann beispielsweise durch direktes Anbringen von Hochleistungsgeräten an der Oberfläche einer Metallplatte, Radiator genannt, abgeführt.

2. Heatpipes und Loop-Heatpipes können auch in Kombination mit Option 1 verwendet werden. Heatpipes können dazu beitragen, eine gleichmäßige Temperatur in den Komponenten zu erreichen, und können auch die Wärme vom Hochtemperaturinnenraum zu den Heizkörpern übertragen.

3. Mechanisch gepumpte Flüssigkeitskreisläufe, die als Wärmebus fungieren, können verwendet werden, um Wärme von heißen Komponenten aufzunehmen und sie entweder an die Komponenten zu liefern, die Wärme benötigen, oder an den Kühler.

4. Phasenwechselmaterialien wie Paraffinwachs haben eine hohe Wärmekapazität und können Wärme speichern und bei Bedarf abgeben, indem sie schmelzen/frieren

5. Jalousien sind passive Systeme, die vor einem Heizkörper installiert werden. Bei hohen Temperaturen bleiben die Lamellen geöffnet, um Wärme abstrahlen zu lassen, aber bei Kälte schließen sie sich stattdessen automatisch. Eine Bimetallfeder öffnet/schließt die Lamellen passiv aufgrund von Wärmeausdehnung.

6. Für kryogene Anwendungen wie IR-Sensoren, wo niedrige Temperaturen benötigt werden, können kryogene Flüssigkeiten wie flüssiges Helium verwendet werden. Flüssiges Helium kann während kurzer Missionen Wärme absorbieren und verdampfen und freigesetzt werden. Bei Langzeiteinsätzen leitet der Kühler die Wärme ab oder es kann sogar ein Kühlkreislauf verwendet werden.

7. Thermoelektrisches Kühlen und Heizen wurden ebenfalls verwendet. Radioisotopenheizung anstelle von Widerstandsheizung kann bei interplanetaren Flügen verwendet werden

Hier sind einige Beispiele:

1. Die internationale Raumstation, ein riesiger Satellit, verwendet mechanisch gepumpte Flüssigkeitsschleifen. Mars Rover und Mars Science Lap verwenden ebenfalls mechanisch gepumpte Flüssigkeitskreisläufe

2. Hubble-Teleskop, ein großer Satellit, der hauptsächlich Beschichtungen und Decken und Heizungen enthält

3. Der Satellit des Defense Support Program (DSP), der zusätzlich zu Beschichtungen und Decken über einen IR-Sensor verfügt, verwendet Phasenwechselmaterialien in Kombination mit einer Heliumschleife, die Wärme durch Radiatoren abweist.

4. Ballons, die in der Stratosphäre der Erde geflogen sind, haben oszillierende Wärmerohre sowie schwache Konvektion und Strahlung verwendet.

5. Schleifenwärmerohre und Wärmerohre mit variabler Leitfähigkeit können in Satelliten verwendet werden.

Morteza Eslamian, PhD
Fluid-/ Wärmeingenieur