¿Por qué muchos RTG tienen disipadores de calor con aletas, cuando esto se considera malo para la transferencia de calor por radiación?

Con los radiadores activos típicos de las naves espaciales, el calor se transfiere desde las fuentes hacia los radiadores a través de convección forzada, como refrigerante calentado. En ese punto, la única preocupación que queda es eliminarlo (irradiarlo) de los radiadores (y lo menos posible de vuelta a la nave espacial oa otros radiadores). Son grandes y miran lo más posible hacia el espacio oscuro y lo menos entre sí, la nave espacial y el Sol.

Con los radiadores pasivos de RTG, el calor se aleja del núcleo a través del cuerpo de los radiadores. No pueden ser muy grandes y, especialmente, no pueden extenderse mucho a lo largo del núcleo debido a las limitaciones de espacio y porque no se conducirá mucho calor lejos del núcleo.

La configuración lateral hace que la menor cantidad de dicho radiador mire hacia el núcleo. Un poco se enfrenta a otros radiadores, pero mientras el calor llegue a los bordes lejanos y no a las "raíces", no es gran cosa. Usando menos radiadores, como 2-3, se irradiaría más calor por radiador pero menos calor por todo el conjunto de enfriamiento. Entonces, la compensación en la eficiencia de los radiadores individuales se realiza para aumentar su número y, al mismo tiempo, el número aún se mantiene bajo (6-8) porque con más enfrentaríamos rendimientos decrecientes a medida que se enfrentan más entre sí y menos en espacio.

Los radiadores de múltiples aletas son peores por unidad de masa .

Pero para un RTG, es absolutamente vital proporcionar un gradiente térmico muy grande entre el núcleo (muy pequeño) y las capas exteriores. Agregar más aletas aún mejora la radiación en suma, solo obtiene menos radiación por aleta.

Dado que el requisito de enfriamiento de un RTG es alto y absoluto, los diseñadores no tienen otra opción que soportar la penalización de masa de más aletas.

Las aletas no son realmente malas para la transferencia de calor por radiación. Simplemente se enfrentan a un punto inevitable de rendimientos decrecientes. Esos rendimientos decrecientes ponen un límite a la cantidad de aletas que se deben incluir en la práctica. El óptimo es mayor que cero pero menor que un empaquetamiento denso de aletas.

Dibuje un límite alrededor de cualquier objeto isotérmico que irradie energía térmica al espacio. La cantidad de radiación que pasa a través del límite siempre es menor o igual a la que emitiría el límite si fuera un cuerpo negro que tuviera la temperatura de la fuente en su interior. En particular, si dibujamos un casco convexo ajustado del emisor como nuestro límite, entonces la transferencia de calor radiante se limita a la radiación de caja negra que podría emerger del área del casco. Podemos acercarnos a este límite de casco convexo en principio de dos maneras:

1) Use un material casi negro. En principio, si el material es perfectamente negro, la transferencia de calor radiante a través del casco convexo alcanzará su valor límite.

2) Ponga muchas concavidades y aumente el área de superficie. Si pudiéramos aumentar hasta el infinito el área superficial del cuerpo emisor debajo del casco convexo, podríamos obtener radiación de cuerpo negro a través del casco.

El casco convexo depende de la geometría, por lo que hay una forma adicional de aumentar el límite:

3) Dentro del espacio disponible, configurar su geometría para permitir un casco convexo con un área de superficie más grande permite una mayor transferencia de calor. Como veremos, esto juega un papel importante en el diseño de radiadores con aletas. Incluso si tiene un material perfectamente negro y la radiación ya no depende de la estructura detallada del emisor, cambiar el casco convexo a un área de superficie aumentada abre el camino para una mayor transferencia de calor.

Los radiadores de cuerpo negro diseñados para calibrar pirometros llevan el segundo concepto casi a ese extremo. El emisor es una cavidad isotérmica con un pequeño orificio por donde sale la radiación. El área de la superficie emisora ​​es mucho mayor que la del orificio (que sirve como límite) que, incluso con materiales industriales comunes, el orificio se acerca a la transferencia de calor de cuerpo negro. Luego, el pirómetro se coloca de modo que (dentro de cierta tolerancia) reciba solo esta radiación casi de cuerpo negro del orificio, lo que proporciona un estándar para la calibración.

En el caso de los RTG con aletas, ahora tenemos materiales disponibles que se acercan a las superficies negras (#1 arriba), por lo que agregar más área de superficie a las superficies emisoras (#2) tiene poco efecto. Pero obtenemos un efecto del área del casco convexo en sí (#3). Suponga que su RTG tiene un radio de 0,25 m y una altura de 2 m, y coloca cuatro aletas de 0,5 m de largo a su alrededor. El casco convexo es un prisma cuadrado, cuya superficie es de 10,74 metros cuadrados. Ahora pruebe seis aletas: su casco convexo ha cambiado a un prisma hexagonal, y su área de superficie aumenta a 11,92 metros cuadrados. Ha agregado un 10% más de transferencia de calor solo desde el área del casco convexo. Agregas ansiosamente más aletas, solo para descubrir que no obtienes tanto por el dinero (o por los kilogramos de masa adicional): el casco convexo nunca es más grande que un cilindro cuya área es 12.

Obtuvimos tanta área adicional para la transferencia de calor con solo dos aletas adicionales de cuatro a seis como podemos esperar obtener con infinitamente más de seis. Dada esta fuerte caída a cambio, en la vida real deberíamos esperar un diseño óptimo para la transferencia de calor en comparación con el peso, la facilidad de fabricación y prueba, etc., que involucre varias pero no muchas aletas.