Почему золото используется в космической технике для защиты от теплового излучения?

На самом деле это не золото, но я думаю, что это распространенное заблуждение, поэтому позвольте мне немного уточнить.

Материал, которым вы видите спутники, не является обычной фольгой, это просто внешний слой так называемой « многослойной изоляции » или MLI. Это означает, что имеется несколько слоев фольги, каждый из которых разделен прокладкой, так что перенос между слоями происходит за счет излучения, а не теплопроводности. Это сильно ограничивает передачу тепла между двумя сторонами изоляции.

Это означает, что чувствительные части спутника (аккумуляторы, как правило, наиболее критичны) защищены от колебаний температуры на поверхности, например, когда спутник проходит через тень земли.

Однако, если спутник будет оставаться там в течение многих лет, никакое тепловое сопротивление в мире не помешает спутнику в конечном итоге достичь равновесной температуры, при которой количество энергии, поступающей в спутник, соответствует количеству энергии, выходящей из него. Но вы можете повлиять на то, при какой температуре это произойдет, используя специальные поверхности.

Чтобы проиллюстрировать это, давайте рассмотрим несколько примеров из более или менее повседневной жизни:

Когда вы помещаете что-либо в конвекторную печь (работающую за счет циркуляции горячего воздуха), скажем, при температуре 200°C (400°F), в конечном итоге она также будет горячей до 200°C. То же самое произойдет, если вы нагреете что-то инфракрасным светом со всех сторон. Если ваш источник света нагрет до 400°C (750°F), в конечном итоге объект, на который падает свет, также будет нагрет до 400°C.

Однако замечали ли вы когда-нибудь, как в жаркий летний день серая бетонная стена на солнцепеке только теплая на ощупь, а нержавеющая сталь, например горки, может раскаляться? Разве полированный металл не отражает больше света, чем серая стена? Специальная космическая фольга спутников почти не нагревалась.

Ответ на вопрос, почему это происходит, заключается в разнице длин волн излучаемого и поглощаемого света.

Вещи, как правило, излучают излучение с длиной волны, обратно пропорциональной их температуре, это и есть излучение черного тела . Таким образом, Солнце излучает видимый свет (потому что оно очень горячее), а вы излучаете инфракрасный свет, длина волны которого намного больше (потому что вы намного холоднее).

Какую часть этой энергии излучают предметы? Это зависит от эмиттанса$\epsilon$поверхности этого объекта. Высокий коэффициент излучения означает, что объект будет быстрее охлаждаться за счет излучения, если окружающая среда холодная. Низкий коэффициент излучения означает, что объект будет оставаться теплым дольше, даже если окружающая среда прохладная.

Другое количество$\alpha$, впитывающая способность. Высокий$\alpha$означает, что объект будет нагреваться быстрее в нашей инфракрасной печи. Факторы$\alpha$и$\epsilon$разница между излучением черного тела и «излучением серого тела», которое в основном одно и то же. Эти факторы объясняют тот факт, что не все поверхности черные, а это означает, что некоторые поверхности отражают свет.

Забавно: для любой заданной длины волны$\alpha$всегда такой же, как$\epsilon$. Вот почему в нашей радиационной печи (куда ИК-свет поступает со всех сторон) объект примет температуру печи, даже если печь находится в вакууме.

Но солнечный свет исходит только с одного направления, поэтому спутник (или стена, или слайд) может излучать в других направлениях и никогда не будет таким же горячим, как поверхность Солнца, поэтому излучаемый им свет абсолютно черного тела имеет другую длину волны. чем излучение, которое он получает. И это важно, потому что пока$\alpha$и$\epsilon$всегда равны между собой, они различны для разных длин волн.

(Советую вам взять это на секунду, прежде чем читать дальше)

Обычно, когда мы говорим о поглощающей способности$\alpha$, мы имеем в виду поглощающую способность в солнечном свете,$\alpha_s$(s для солнечного света), потому что это поглощающая способность света, который в основном получает спутник. Поскольку температура спутника заставляет его излучать инфракрасный свет,$\epsilon$мы обычно говорим о$\epsilon_{IR}$(ИК для ... вы знаете).

Тело с высоким коэффициентом$\frac{\alpha_s}{\epsilon_{IR}}$будет сильно нагреваться на солнце, даже если оба значения очень низкие. Оба значения довольно низкие для полированной стали затвора, но$\epsilon_{IR,Steel}=0.05$еще ниже, чем$\alpha_{s,Steel}=0.37$.

В качестве примечания: поглощательная способность + отражательная способность + коэффициент пропускания = 1, это означает, что весь свет либо поглощается, либо отражается, либо пропускается через поверхность.

Поскольку солнце в космосе очень яркое, мы обычно хотим создать поверхность, которая много излучает в инфракрасном диапазоне и мало поглощает самые мощные солнечные волны.

С этой целью производители многослойной изоляции используют второй эффект зеркала поверхности:

(изображение из каталога Multek/Sheldahl, предположительно добросовестное использование)

В качестве покрытия (подложки) они используют материал, прозрачный для солнечного излучения и сильно излучающий в инфракрасном диапазоне. Часто это коричневатый каптон. Ниже этого у них есть материал, который отражает как можно больше солнечного света, обычно это серебро или алюминий. Золото было бы плохим выбором, потому что, как вы правильно заметили, у него довольно высокая поглощающая способность.

Таким образом, они имеют минимально возможное соотношение$\frac{\alpha_s}{\epsilon_{IR}}$, что означает, что равновесная температура спутника остается минимально возможной.

Итак, вы видите не золото, а тонкий слой коричневого пластика над поверхностью серебра или алюминия.

Смотрите также:

Еще несколько значений$\epsilon$и$\alpha$

В скафандрах космонавтов используется золото (тонкий слой)

Золотое покрытие защищает глаза от вредного солнечного света

Золото также используется НАСА при изготовлении скафандров. Благодаря своей превосходной способности отражать инфракрасный свет, пропуская при этом видимый свет, визоры астронавтов имеют тонкий слой золота для защиты их глаз от нефильтрованного солнечного света.

Спутники не

Они используют многослойную изоляцию, см. ответ Рикки-Тикки-Тави.