El aislamiento multicapa ( MLI ) es un aislamiento térmico compuesto por múltiples capas de láminas delgadas y se usa a menudo en naves espaciales y en sistemas criogénicos . También conocido como superaislamiento, [1] MLI es uno de los principales elementos del diseño térmico de una nave espacial , destinado principalmente a reducir la pérdida de calor por radiación térmica . En su forma básica, no aísla apreciablemente contra otras pérdidas térmicas como la conducción o convección de calor . Por lo tanto, se utiliza habitualmente en satélites y otras aplicaciones en el vacío , donde la conducción y la convección son mucho menos importantes y domina la radiación. MLI da a muchos satélites y otras sondas espaciales la apariencia de estar cubiertos con una lámina de oro, que es el efecto de la capa Kapton de color ámbar depositada sobre el mylar aluminizado plateado .
Para aplicaciones que no son de naves espaciales, MLI funciona sólo como parte de un sistema de aislamiento al vacío. [1] Para uso en criogenia, el MLI envuelto se puede instalar dentro del anillo de tuberías con camisa de vacío. [2] MLI también se puede combinar con aislamiento de vacío avanzado para uso en aplicaciones de alta temperatura. [3]
El principio detrás de MLI es el equilibrio de radiación. Para ver por qué funciona, comencemos con un ejemplo concreto: imaginemos un metro cuadrado de superficie en el espacio exterior, mantenido a una temperatura fija de 300 K, con una emisividad de 1, de espaldas al sol u otras fuentes de calor. Según la ley de Stefan-Boltzmann , esta superficie irradiará 460 W. Ahora imagine colocar una capa delgada (pero opaca) a 1 cm de la placa, también con una emisividad de 1. Esta nueva capa se enfriará hasta irradiar 230 W desde cada lado, momento en el cual todo está en equilibrio. La nueva capa recibe 460 W de la placa original. Se irradian 230 W de regreso a la placa original y 230 W al espacio. La superficie original todavía irradia 460 W, pero recupera 230 W de las nuevas capas, lo que supone una pérdida neta de 230 W. Así que, en general, las pérdidas de radiación de la superficie se han reducido a la mitad añadiendo la capa adicional.
Se pueden agregar más capas para reducir aún más la pérdida. La manta se puede mejorar aún más haciendo que las superficies exteriores sean altamente reflectantes a la radiación térmica , lo que reduce tanto la absorción como la emisión. El rendimiento de una pila de capas se puede cuantificar en términos de su coeficiente general de transferencia de calor U , que define el caudal de calor radiativo Q entre dos superficies paralelas con una diferencia de temperatura y un área A como
Teóricamente, el coeficiente de transferencia de calor entre dos capas con emisividades y , a temperaturas absolutas y al vacío, es
donde Wm −2 K −4 es la constante de Stefan-Boltzmann. Si la diferencia de temperatura no es demasiado grande ( , entonces una pila de N capas, todas con la misma emisividad en ambos lados, tendrá un coeficiente general de transferencia de calor
¿Dónde está la temperatura promedio de las capas? Claramente, aumentar el número de capas y disminuir la emisividad reducen el coeficiente de transferencia de calor, lo que equivale a un valor de aislamiento más alto. En el espacio, donde la temperatura exterior aparente podría ser de 3 K ( radiación cósmica de fondo ), el valor U exacto es diferente.
Las capas de MLI pueden estar arbitrariamente cercanas entre sí, siempre que no estén en contacto térmico. El espacio de separación sólo necesita ser mínimo, que es la función del velo de novia extremadamente fino de malla o poliéster como se muestra en la foto. Para reducir el peso y el espesor de la manta, las capas internas se hacen muy delgadas, pero deben ser opacas a la radiación térmica. Como no necesitan mucha resistencia estructural, estas capas internas suelen estar hechas de plástico muy delgado, de aproximadamente 6 μm (1/4 mil) de espesor, como Mylar o Kapton , recubierto en uno o ambos lados con una fina capa de metal. , normalmente plata o aluminio . [4] Para que sea más compacto, las capas están espaciadas lo más cerca posible entre sí, aunque sin tocarse, ya que debe haber poca o ninguna conducción térmica entre las capas. Una manta aislante típica tiene 40 o más capas. [4] Las capas pueden estar grabadas o arrugadas, por lo que solo se tocan en unos pocos puntos, o pueden mantenerse separadas por una fina malla de tela o cañamazo , como se puede ver en la imagen de arriba. Las capas exteriores deben ser más fuertes y, a menudo, son de plástico más grueso y resistente, reforzado con un material de malla más resistente, como la fibra de vidrio.
En aplicaciones satelitales, el MLI estará lleno de aire en el momento del lanzamiento. A medida que el cohete asciende, este aire debe poder escapar sin dañar la manta. Esto puede requerir agujeros o perforaciones en las capas, [5] aunque esto reduce su efectividad. [6]
En criogenia, el MLI es el tipo de aislamiento más eficaz. [7] Por lo tanto, se utiliza comúnmente en tanques de gas licuado (por ejemplo , GNL , LN 2 , LH 2 , LO 2 ), criostatos , tuberías criogénicas y dispositivos superconductores . Además, es valorado por su tamaño compacto y peso. Una manta compuesta por 40 capas de MLI tiene un espesor de unos 20 mm [8] y un peso de aproximadamente 1,2 kg/m 2 . [9]
Los métodos tienden a variar entre los fabricantes y algunas mantas MLI se construyen principalmente utilizando tecnología de costura. Las capas se cortan, se apilan una encima de otra y se cosen en los bordes.
Otros métodos más recientes incluyen el uso de diseño asistido por computadora y tecnología de fabricación asistida por computadora para soldar un contorno preciso de la forma final de la manta mediante soldadura ultrasónica en un "paquete" (el conjunto final de capas antes de que se agregue la "piel" externa manualmente.)
Las costuras y huecos en el aislamiento son responsables de la mayor parte de la fuga de calor a través de las mantas MLI. Se está desarrollando un nuevo método para utilizar alfileres de etiquetas de polieteretercetona (PEEK) (similares a los ganchos de plástico utilizados para fijar etiquetas de precios a las prendas) para fijar las capas de película en su lugar en lugar de coser para mejorar el rendimiento térmico. [6]
Las naves espaciales también pueden utilizar MLI como primera línea de defensa contra impactos de polvo. Normalmente, esto significa espaciarlo aproximadamente a un cm de la superficie que está aislando. Además, una o más de las capas pueden sustituirse por un material mecánicamente resistente, tal como tela beta .
En la mayoría de las aplicaciones, las capas aislantes deben estar conectadas a tierra, para que no puedan generar carga ni arco, lo que provoca interferencias de radio. Dado que la construcción normal produce aislamiento eléctrico y térmico, estas aplicaciones pueden incluir espaciadores de aluminio en lugar de malla de tela en los puntos donde se cosen las mantas.
El uso de materiales similares, el aislamiento de una sola capa y el aislamiento de doble capa (SLI y DLI respectivamente) también son comunes en las naves espaciales.
