El aislamiento multicapa ( MLI ) es un aislamiento térmico compuesto por múltiples capas de láminas delgadas y se utiliza a menudo en naves espaciales y criogenia . También conocido como superaislamiento, [1] el MLI es uno de los elementos principales del diseño térmico de las naves espaciales , 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 comúnmente en satélites y otras aplicaciones en vacío donde la conducción y la convección son mucho menos significativas y domina la radiación. El 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 de Kapton de color ámbar depositada sobre el mylar aluminizado plateado .
Para aplicaciones que no sean naves espaciales, el MLI funciona únicamente como parte de un sistema de aislamiento al vacío. [1] Para su uso en criogenia, el MLI envuelto se puede instalar dentro del anillo de tuberías con camisa de vacío. [2] El MLI también se puede combinar con un aislamiento al vacío avanzado para su uso en aplicaciones de alta temperatura. [3]
El principio detrás de la MLI es el equilibrio de radiación. Para ver por qué funciona, comience con un ejemplo concreto: imagine un metro cuadrado de una superficie en el espacio exterior, mantenida a una temperatura fija de 300 K (27 °C; 80 °F), 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 (0,4 pulgadas) de distancia de la placa, también con una emisividad de 1. Esta nueva capa se enfriará hasta que irradie 230 W desde cada lado, momento en el que todo estará en equilibrio. La nueva capa recibe 460 W de la placa original. 230 W se irradian de vuelta a la placa original y 230 W al espacio. La superficie original todavía irradia 460 W, pero recibe 230 W de las nuevas capas, lo que supone una pérdida neta de 230 W. Por lo tanto, en general, las pérdidas de radiación de la superficie se han reducido a la mitad al añadir la capa adicional.
Se pueden añadir 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 de transferencia de calor general U , que define la tasa de flujo 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 de transferencia de calor general
donde es la temperatura media de las capas. Claramente, aumentar el número de capas y disminuir la emisividad reduce 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 exacto de U es diferente.
Las capas de MLI pueden estar arbitrariamente cerca unas de otras, siempre que no estén en contacto térmico. El espacio de separación solo necesita ser mínimo, que es la función del velo de novia o poliéster extremadamente fino como se muestra en la foto. Para reducir el peso y el grosor de la manta, las capas internas se hacen muy delgadas, pero deben ser opacas a la radiación térmica. Dado que no necesitan mucha resistencia estructural, estas capas internas generalmente están hechas de plástico muy fino, de aproximadamente 6 μm ( 1 ⁄ 4 mil) de espesor, como Mylar o Kapton , recubierto en uno o ambos lados con una capa delgada de metal, típicamente plata o aluminio . [4] Para que sean compactas, las capas se espacian lo más cerca posible entre sí, aunque sin tocarse, ya que debe haber poca o ninguna conducción térmica entre las capas. Una manta de aislamiento típica tiene 40 capas o más. [4] Las capas pueden estar estampadas o arrugadas, de modo que solo se toquen en unos pocos puntos, o separadas por una malla de tela fina, o entelado , que se puede ver en la imagen de arriba. Las capas externas deben ser más fuertes y, a menudo, son de plástico más grueso y resistente, reforzado con un material de entelado más resistente, como 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 reduzca su eficacia. [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, LNG , LN2 , LH2 , LO2 ) , criostatos , tuberías criogénicas y dispositivos superconductores . Además , se valora por su tamaño compacto y peso. Una manta compuesta por 40 capas de MLI tiene un espesor de aproximadamente 20 mm (0,79 pulgadas) [8] y un peso de aproximadamente 12 kg/m2 ( 2,5 lb/pie cuadrado). [9]
Los métodos tienden a variar entre los fabricantes, y algunas mantas MLI se fabrican principalmente con tecnología de costura. Las capas se cortan, se apilan una sobre otra y se cosen juntas 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 usando soldadura ultrasónica sobre un "paquete" (el conjunto final de capas antes de que se agregue la "piel" externa a mano).
Las costuras y los 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 que se utilizan para fijar las etiquetas de precios a las prendas) para fijar las capas de película en su lugar en lugar de coserlas para mejorar el rendimiento térmico. [6]
Las naves espaciales también pueden utilizar MLI como primera línea de defensa contra impactos de polvo. Esto normalmente significa espaciarla a un centímetro aproximadamente de la superficie que está aislando. Además, una o más de las capas pueden reemplazarse por un material mecánicamente resistente, como la tela beta .
En la mayoría de las aplicaciones, las capas aislantes deben estar conectadas a tierra para que no acumulen cargas y arcos eléctricos que provoquen 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 también es común en las naves espaciales: el aislamiento de una sola capa y el aislamiento de doble capa (SLI y DLI respectivamente).
Las costuras siguen siendo un área problemática en la que se suelen hacer concesiones. Los métodos de costura convencionales provocan compresiones a lo largo de las líneas de costura en las mantas aislantes multicapa. Hassan Saeed desarrolló una nueva tecnología llamada Spacer Stitching durante su trabajo de investigación en el ITM, TU Dresden. La tecnología patentada puede evitar compresiones a lo largo de las líneas de costura en los conjuntos de aislamiento multicapa.
