Enfriando un satélite

Por lo general, los satélites usan enfriamiento radiativo para mantener el equilibrio térmico a la temperatura deseada.

Cómo lo hacen depende en gran medida de las especificaciones de la órbita del satélite alrededor de la Tierra. Por ejemplo, los satélites heliosincrónicos normalmente siempre tienen un lado a la luz del sol y otro lado a la oscuridad. Estos son particularmente fáciles de mantener frescos porque puede aplicar una capa blanca en el lado hacia el sol y una capa negra en el lado oscuro. El revestimiento blanco tiene un valor bajo de absorción de radiación, mientras que el revestimiento negro tiene un valor alto de emisión de radiación. Esto significa que puede absorber la menor cantidad de luz posible mientras emite más radiación térmica.

Los diferentes tipos de satélites tienen diferentes estrategias para el enfriamiento, pero en general, el enfriamiento se logra mediante la aplicación de recubrimientos funcionales a la nave espacial que reducen o aumentan la capacidad de absorción/emisividad/reflectividad de sus diferentes superficies. Mientras diseñan un satélite, los ingenieros espaciales realizan análisis térmicos y muchos cálculos para determinar qué superficies deben tener qué valores de absorción para que el satélite mantenga la temperatura deseada.

Es difícil para mí ser más específico que esto. Pero esta es la razón por la que cualquier buen ingeniero espacial sabe cómo encontrar un recubrimiento con los valores de absorbencia/emisividad deseados en uno o dos días.

Como ejemplo, la Estación Espacial Internacional (ISS) tiene radiadores térmicos externos. Se parecen a los paneles solares, pero en lugar de apuntar el lado plano hacia el sol, apuntan hacia el espacio vacío. Un circuito de amoníaco transporta el calor desde varias partes de la estación espacial hasta los radiadores.

Esta es una foto de un radiador: ( fuente )

• Sistema de control térmico activo externo en Wikipedia

El satélite en sí puede funcionar con enfriamiento radiativo, pero algunos instrumentos a bordo, por ejemplo, sensores IR, requieren temperaturas tan bajas como 4 K, para lo cual se utilizan dewars de helio. Los bolómetros requieren temperaturas aún más bajas (en el rango mK).

Un buen resumen está disponible aquí .

Hay varias formas de gestión térmica (refrigeración y calefacción) de un satélite y, en general, de una nave espacial. El calor puede eliminarse de la nave espacial en el espacio solo mediante radiación, suponiendo que la nave espacial se encuentre fuera de la atmósfera de un planeta como la Tierra, Titán (la luna más grande de Saturno) o Marte. Se puede utilizar una combinación de uno o más métodos de gestión térmica, según varios factores, como la misión de vuelo, el rango de temperatura permitido, las cargas de calefacción y refrigeración, la duración de la misión, si la misión está tripulada o no y el presupuesto disponible. Aquí hay un ejemplo:

1. Uso de revestimientos y mantas para aislar la nave espacial del espacio. Esto bloqueará la radiación solar que llega a la nave espacial. También mantiene la nave espacial caliente y se utilizan calentadores adicionales para mantener el rango de temperatura deseado. Luego, el exceso de calor generado se rechaza, por ejemplo, conectando directamente un equipo de alta potencia a la superficie de una placa de metal, llamada radiador.

2. Los tubos de calor y los tubos de calor de bucle también se pueden usar combinados con la opción 1. Los tubos de calor pueden ayudar a lograr una temperatura uniforme en los componentes y también pueden transferir el calor del interior de alta temperatura a los radiadores.

3. Los circuitos de fluido bombeados mecánicamente, que actúan como un bus térmico, se pueden usar para recoger el calor de los componentes calientes y entregarlo a los componentes que necesitan calor o al radiador.

4. Los materiales de cambio de fase, como la cera de parafina, tienen una alta capacidad calorífica y pueden almacenar y liberar calor según se requiera al fundirse o congelarse.

5. Las persianas son sistemas pasivos que se instalan delante de un radiador. En condiciones de alta temperatura, las hojas permanecen abiertas para permitir que el calor se irradie, pero en el frío se cierran automáticamente. Un resorte bimetálico abre/cierra pasivamente las palas debido a la expansión térmica.

6. Para aplicaciones criogénicas como sensores IR donde se necesitan bajas temperaturas, se pueden usar líquidos criogénicos como helio líquido. El helio líquido puede absorber calor y vaporizarse y liberarse durante misiones cortas. En misión de larga duración, el radiador rechaza el calor o incluso se puede utilizar un ciclo de refrigeración.

7. También se han utilizado refrigeración y calefacción termoeléctricas. El calentamiento por radioisótopos en lugar del calentamiento por resistencia se puede utilizar en vuelos interplanetarios

Aquí hay unos ejemplos:

1. La estación espacial internacional, un satélite enorme, utiliza circuitos de fluidos bombeados mecánicamente. Mars rover y Mars science lap también usan circuitos de fluidos bombeados mecánicamente

2. Telescopio Hubble, un gran satélite principalmente revestimientos y mantas y calentadores

3. El satélite del Programa de Apoyo a la Defensa (DSP), que tiene un sensor IR, además de revestimientos y mantas, utiliza materiales de cambio de fase combinados con un bucle de helio que rechaza el calor a través de los radiadores.

4. Los globos volados en la estratosfera de la Tierra han utilizado tubos de calor oscilantes, así como convección y radiación débiles.

5. Los tubos de calor de bucle y los tubos de calor de conductancia variable se pueden utilizar en satélites.

Morteza Eslamian, PhD
Ingeniero Térmico/de Fluidos