Почему радиаторы МКС и шаттлов не черные?

Как мы знаем из удивительного следствия из закона теплового излучения Кирхгофа , точно так же, как более темные* объекты поглощают больше света (и, следовательно, энергии), более темные объекты также излучают больше света (при более низких температурах, в инфракрасном диапазоне) и, следовательно, энергии.

Обратите внимание на следующую фотографию МКС:

Международная космическая станция, сфотографированная членом экипажа STS-134 космического корабля "Индевор" 29 мая 2011 г.

Международная космическая станция сфотографирована членом экипажа STS-134 космического корабля "Индевор" 29 мая 2011 года. Изображение предоставлено НАСА.

Я насчитал десять радиаторов, все светлые или металлические. Тот же материал используется на радиаторах космического корабля "Шаттл", которые находятся на внутренней стороне дверей полезной нагрузки:

Космический корабль "Индевор" приближается к МКС во время STS-118 10 августа 2007 г.

Космический челнок Endeavour приближается к МКС во время STS-118 10 августа 2007 г. Изображение предоставлено НАСА.

Это говорит мне о том, что эти радиаторы неэффективны.

Из исследований по этому вопросу я обнаружил, что в Интернете существует консенсус в отношении наземных радиаторов (например, для отопления) в том, что темное покрытие того не стоит: просто используйте радиатор большего размера и, при наличии атмосферы, наибольшую теплопередачу. все равно конвекцией.

Однако в космосе эффективность имеет первостепенное значение. Кто-то должен проверить все эти панели, починить их, устранить повреждения, если это возможно, и т. д., не говоря уже о том, чтобы таскать все эти драгоценные граммы на орбиту в первую очередь. Если бы вы могли, скажем, нанести на них слой углеродных нанотрубок и использовать на один меньше, не так ли?

Итак, мой вопрос таков: почему в конкретных примерах МКС и космического корабля "Шаттл" радиаторы не черные как смоль?

* Примечание: темнее здесь не обязательно в видимом диапазоне. Например, если эти панели имеют низкое альбедо в невидимом диапазоне, то это может быть лучше, чем какой-нибудь более черный материал с более высоким альбедо в невидимом диапазоне. Это, безусловно, объясняет эти радиаторы.

Попутное замечание: наземные радиаторы отопления, конечно, работают на атмосферной конвекции, так что отчасти это объясняет, почему перенос излучения для них менее важен.
Это всего лишь предположение, я подозреваю, что отражать фотоны обратно в космос в целом более эффективно, чем поглощать тепло, а затем снова излучать его, поэтому блестеть лучше.
Излучатели должны быть черными , особенно на ИК-частотах; не обязательно на видимых частотах. Кроме того, специальные покрытия радиатора обеспечивают небольшое поглощение солнечного света (в основном УФ-частоты) и хорошее излучение ИК-излучения (сейчас у меня нет эталона под рукой).
@GdD: Не совсем; средняя температура космоса достаточно низка (несколько кельвинов), поэтому оптимально просто эффективно излучать. Есть несколько точечных источников высокотемпературного излучения, но как только вы избегаете Солнца и, возможно, Юпитера, они становятся незначительными на фоне ничего особенного.

Ответы (1)

Закон Кирхгофа справедлив только для объектов, находящихся в лучистом равновесии. Коэффициенты излучения и поглощения материала одинаковы для данной длины волны, но могут сильно различаться для разных длин волн.

Радиаторы на космическом корабле не находятся в лучистом равновесии, так как они теряют тепло на излучение. Они излучают тепло в длинноволновом инфракрасном спектре, но получают тепловую энергию (от Солнца) в коротковолновой инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой частях спектра. (Они также принимают длинноволновое ИК-излучение от Земли, но его количество составляет всего около 250 Вт/м 2 против 1300 Вт/м 2 для солнечного света.) Это означает, что эффективные коэффициенты излучения и поглощения могут отличаться во время работы излучателей.

Радиаторы на МКС окрашены в белый цвет с высоким коэффициентом излучения, что означает, что они темные в инфракрасном спектре, где излучается тепло. Они белые в видимом спектре, чтобы отражать солнечный свет.

Радиаторы на шаттле имеют двухслойное покрытие: серебристый отражающий слой, покрытый тонкой тефлоновой пленкой. Слой тефлона непрозрачен для инфракрасного излучения, поэтому доминирует высокая излучательная способность тефлона. Видимый свет проходит через тефлоновый слой и отражается серебряным слоем, поэтому поглощение солнечного света низкое.

Радиаторы на «Шаттле» подвержены большему воздействию прямых солнечных лучей (радиаторы на МКС поворачиваются, поэтому они, как правило, почти обращены к Солнцу), поэтому они используют более производительную, но более дорогую двухслойную конструкцию.

Спасибо, но это просто повторение моей точной точки замешательства. «Светлые цвета хорошо излучают излучение». является заведомо ложным . См., например , это : «коэффициент излучения равен коэффициенту поглощения». В вашей ссылке рисунок справа иллюстрирует мою точку зрения: черная сторона куба Лесли излучает гораздо больше теплового излучения, чем светлая сторона. В космосе можно ориентировать излучатели параллельно солнечному излучению, так что подозреваю, что поглощение незначительное.
Закон @imallett Kirchoff справедлив только для тела, находящегося в равновесии; радиатор не находится в равновесии с окружающей средой, поскольку он излучает тепло. Белая и черная стороны куба Лесли кажутся практически одинаковыми в инфракрасном свете, где излучается энергия (в статье говорится, что краска, «в том числе белая», имеет коэффициент излучения около 0,9). Когда солнечная энергия поглощается (в видимом спектре), мы хотим отражать как можно больше поступающей энергии, отсюда и белый цвет. Что касается того, чтобы держаться ребром к Солнцу, что произойдет, если приводные двигатели откажут?
Белые материалы не обязательно являются хорошими излучателями видимого светового излучения. Но поскольку эти материалы излучают в ИК-диапазоне и не видны, это не имеет значения.
@imallett, левое изображение куба Лесли не показывает разницы между белой поверхностью и черной. Он показывает разницу между черной поверхностью и полированной. Блестящие поверхности имеют низкий коэффициент излучения.
@BowlOfRed блестящая поверхность — это белая поверхность с высоким показателем зеркальности.
@imallett независимо от того, что говорит ваша и моя интуиция, белая поверхность на правой стороне изображения такая же ИК-яркая, как и черная поверхность на левой стороне.
@ 2012rcampion Да. «За исключением голых, полированных металлов, внешний вид поверхности для глаз не является хорошим ориентиром для коэффициентов излучения вблизи комнатной температуры. Таким образом, белая краска поглощает очень мало видимого света. Однако при длине волны инфракрасного излучения 10x10^-6 метров , краска очень хорошо поглощает свет и имеет высокий коэффициент излучения». Вот почему я написал заметку в своем исходном посте. За исключением этого случая, радиаторы представляют собой голый полированный металл. См. также изображение, замененное TildalWave.¶ Что сказал ваш собеседник?
@imallett Вам, вероятно, следует отредактировать свой вопрос, чтобы отразить тот факт (без каламбура), что закон Кирхгофа здесь не применяется: на самом деле блестящий радиатор является наиболее эффективным!
Почему радиаторы МКС и шаттлов не черные?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 4v