¿Cómo funciona básicamente un sistema de control térmico de una nave espacial?

En el caso general de "nave espacial", que significa cualquier satélite, tripulado o no, o etapa superior, la jerarquía para el control térmico se ve así:

Sistemas pasivos

• materiales elegidos por su acabado radiante (pintura, espejos, etc.)
• materiales elegidos por su conductividad sólida o propiedades aislantes (capas frontales de aluminio en paneles de nido de abeja, relleno de interfaz, espaciadores de CFRP como aislantes)
• material de manta de mylar o kapton aluminizado que combina las propiedades anteriores (diez capas con espaciadores de dacrón para reducir la radiación)

Sistemas activos

• calentadores eléctricos (algunos argumentan que son tan simples que cuentan como pasivos)

• tubos de calor simples (nuevamente, algunos argumentan que estos son pasivos)

• tubos de calor de bucle

• circuitos de fluidos bombeados mecánicamente

• Artículos más especializados (rejillas, hieleras Stirling)

Los tubos de calor simples y los tubos de calor de bucle son sistemas de fluidos de dos fases en los que el calor provoca la evaporación y la presurización de un líquido a gas, lo que a su vez hace que el fluido fluya de las partes calientes a las frías. La geometría está dispuesta de modo que el fluido se condense, es decir, pierda calor, hacia el radiador externo. Una bomba accionada mecánicamente, por el contrario, no necesita ser bifásica y le da más control al operador en cuanto a la capacidad de transferencia de calor que tiene en un momento dado.

EDITAR La potencia impulsora de una bomba de calor proviene del calor que se transportará desde un punto de disipación de potencia en la carga útil a una superficie de radiador comparativamente fría que puede ver el espacio profundo. El punto es que hace más calor en un extremo del tubo de calor que en el otro. El aumento de la presión del gas en el extremo caliente de la tubería se extiende hacia el extremo frío provocando una transferencia de masa en la fase gaseosa. El papel de la tensión superficial, o acción capilar, es nivelar las formas de los meniscos transfiriendo líquido en las ranuras desde el extremo frío de regreso al extremo caliente.

Los tubos de calor simples no funcionan bien contra la aceleración. Esto significa que, mientras funcionan en órbita, deben probarse en la Tierra en posición horizontal. Algunas tuberías de calor en bucle, que tienen un diseño más complejo, pueden funcionar contra una aceleración de 1 g.

Síntesis

Por lo general, el diseño de un elemento de equipo o de un satélite completo consistirá en identificar los elementos de disipación de energía y luego elegir una ruta de pérdida de calor primaria que se haga específicamente para tener características bien conocidas.

Un ejemplo de diseño pasivo sería terminar elementos en cavidades interiores con pintura para crear una superficie de alta emisividad y así crear una cavidad casi isotérmica a través de un intercambio eficiente de radiación. Las paredes de la cavidad pueden ser una caja de aluminio o una lámina de nido de abeja con una malla interior densa. Los elementos disipadores particularmente altos se montarían directamente en las paredes exteriores, en el interior o en el exterior. El exterior del panal podría tener pintura blanca, aluminio depositado al vacío o espejos de segunda superficie.

Si la potencia disipada es demasiado grande para esto, el diseño podría progresar a un sistema basado en fluidos. Los tubos de calor se utilizan ampliamente en los satélites geoestacionarios de alta potencia para distribuir el calor dentro de una pared exterior y así aprovechar al máximo el área del radiador. Los tubos de calor de bucle se utilizan donde la demanda es más alta. Las bombas accionadas mecánicamente se utilizan en algunas situaciones no tripuladas pero, creo, son más una característica de los sistemas tripulados.

Similar a un refrigerador común.

Hay un líquido de trabajo de baja temperatura de evaporación (por debajo de la temperatura ambiente), por ejemplo, amoníaco. Fluyendo a través de tuberías selladas en radiadores de equipos y maquinaria de circulación de aire, se evapora, absorbiendo calor del ambiente, evaporándose en el proceso. Luego se bombea a los paneles del radiador: grandes estructuras fuera de la nave espacial, montadas en soportes de pivote, girando de tal manera que el borde estrecho se dirige hacia el Sol absorbiendo la menor cantidad de calor solar y las superficies grandes miran hacia el espacio profundo, irradiando calor. El vapor emite calor y se condensa de nuevo en líquido, para ser devuelto a los radiadores dentro de la nave.

Esto puede funcionar con un diferencial de presión mínimo y solo calor de condensación y evaporación (más seguro, pero menos eficiente), o puede aumentarse con una presurización adicional: el fluido de trabajo tiene una temperatura de evaporación aún más baja a presión ambiente, pero puede licuarse con una presurización moderada. El vapor bombeado a los radiadores a través de una bomba más fuerte, se condensa debido a la alta presión; que además lo calienta; el calor adicional se irradia. Luego, dentro del barco, los radiadores que absorben calor contienen boquillas donde se libera la presión: el proceso de descompresión combinado con la vaporización extrae mucho más calor del medio ambiente que la vaporización sola.