¿Por qué se usa el oro en la tecnología espacial para proteger de la radiación de calor?

En realidad, no es oro, pero creo que es un error común, así que permítanme explicarlo un poco.

El material con el que se ven los satélites cubiertos no es una lámina normal, es solo la capa exterior del llamado " aislamiento de múltiples capas " o MLI. Eso significa que hay varias capas de lámina, cada una separada por un espaciador, de modo que la transferencia entre las capas ocurre por radiación, no por conducción de calor. Esto limita severamente la cantidad de calor que se transfiere entre los dos lados del aislamiento.

Eso significa que las partes sensibles del satélite (las baterías suelen ser las más críticas) están protegidas de las fluctuaciones de la temperatura en la superficie, como cuando el satélite pasa por la sombra de la tierra.

Sin embargo, si el satélite permanece en el exterior durante años, ninguna resistencia térmica en el mundo evitará que el satélite alcance finalmente una temperatura de equilibrio, en la que la cantidad de energía que entra en el satélite coincida con la que sale. Pero puede influir a qué temperatura sucede esto, utilizando superficies especiales.

Para ilustrar esto, veamos algunos ejemplos de la vida más o menos cotidiana:

Cuando pones algo en un horno convector (que funciona haciendo circular aire caliente), digamos a 200°C (400°F), eventualmente también estará a 200°C caliente. Lo mismo sucede si calientas algo con luz infrarroja desde todas las direcciones. Si la fuente de luz tiene una temperatura de 400 °C (750 °F), eventualmente el objeto sobre el que cae la luz también tendrá una temperatura de 400 °C.

Sin embargo, ¿alguna vez ha notado cómo en un caluroso día de verano, una pared de hormigón gris a la luz del sol solo está caliente al tacto, mientras que el acero inoxidable, por ejemplo, un tobogán, puede estar muy caliente? ¿El metal pulido no refleja más luz que la pared gris? La lámina espacial especial de los satélites apenas se calentaría.

La respuesta a por qué esto se encuentra en la diferencia de longitud de onda de la luz emitida y absorbida.

Las cosas, en general, emiten radiación con una longitud de onda inversamente proporcional a su temperatura, esto es la Radiación de Cuerpo Negro . Entonces, el Sol irradia luz visible (porque hace mucho calor), mientras que tú irradias luz infrarroja, que tiene una longitud de onda mucho más alta (porque eres mucho más frío).

¿Cuánta de esa energía irradian las cosas? Depende de la emitancia$\epsilon$de la superficie de ese objeto. Alta emitancia significa que el objeto se enfriará más rápido por radiación, si el entorno es frío. Baja emitancia significa que el objeto se mantendrá caliente por más tiempo, incluso si el ambiente es frío.

Otra cantidad es$\alpha$, la absorbencia. Alto$\alpha$significa que el objeto se calentará más rápido en nuestro horno infrarrojo. Los factores$\alpha$y$\epsilon$son la diferencia entre la radiación de cuerpo negro y la "radiación de cuerpo gris", que es básicamente lo mismo. Estos factores explican el hecho de que no todas las superficies son negras, lo que significa que algunas superficies reflejan la luz.

Lo curioso: para cualquier longitud de onda dada$\alpha$es siempre el mismo que$\epsilon$. Es por eso que en nuestro horno de radiación (donde la luz IR proviene de todas las direcciones), el objeto asumirá la temperatura del horno, incluso si el horno está en el vacío.

Pero la luz del sol proviene solo de una dirección, por lo que el satélite (o la pared o el tobogán) puede irradiar hacia las otras direcciones y nunca estará tan caliente como la superficie del sol, por lo que la luz de cuerpo negro que emite tiene una longitud de onda diferente. que la radiación que recibe. Y eso es importante, porque mientras$\alpha$y$\epsilon$son siempre iguales entre sí, son diferentes para diferentes longitudes de onda.

(Le aconsejo que tome esto por un segundo antes de seguir leyendo)

Por lo general, cuando hablamos de la capacidad de absorción$\alpha$, nos referimos a la absorbencia en la luz del sol,$\alpha_s$(s para solar), porque esa es la capacidad de absorción de la luz, que el satélite recibe principalmente. Dado que la temperatura del satélite hace que emita luz infrarroja, el$\epsilon$solemos hablar es$\epsilon_{IR}$(IR para... ya sabes).

Un cuerpo con una alta proporción de$\frac{\alpha_s}{\epsilon_{IR}}$se calentará mucho al sol, incluso si ambos valores son muy bajos. Ambos valores son bastante bajos para el acero pulido de la corredera, pero$\epsilon_{IR,Steel}=0.05$es más bajo aún que$\alpha_{s,Steel}=0.37$.

Como nota al margen, absortividad + reflectividad + transmitancia = 1, esto significa que toda la luz se absorbe, refleja o deja pasar a través de una superficie.

Debido a que el sol es muy brillante en el espacio, por lo general queremos crear una superficie que emita mucho en el infrarrojo y absorba poco en las longitudes de onda más potentes del sol.

Para ello, los fabricantes de Aislamiento Multicapa utilizan el efecto espejo de la segunda superficie:

(imagen del catálogo de Multek/Sheldahl, presumiblemente en uso legítimo)

Utilizan como cubierta (sustrato) un material transparente a la radiación solar y altamente emisor en el infrarrojo. Esto es a menudo Kapton pardusco. Debajo tienen un material que refleja la mayor cantidad posible de luz solar, que suele ser plata o aluminio. El oro sería una mala elección porque, como bien has señalado, tiene una capacidad de absorción bastante alta.

De esa manera tienen la proporción más baja posible de$\frac{\alpha_s}{\epsilon_{IR}}$, lo que significa que la temperatura de equilibrio del satélite se mantiene lo más baja posible.

Entonces, lo que ves no es oro, sino una fina capa de plástico marrón sobre una superficie de plata o aluminio.

Ver también:

Algunos valores más de$\epsilon$y$\alpha$

Los trajes espaciales de los astronautas usan oro (capa delgada)

El revestimiento dorado protege los ojos de la luz solar dañina.

La NASA también utiliza oro en la construcción de trajes espaciales. Debido a su excelente capacidad para reflejar la luz infrarroja y dejar pasar la luz visible, los visores de los astronautas tienen una fina capa de oro para proteger sus ojos de la luz solar sin filtrar.

Los satélites no

Usan aislamiento multicapa, vea la respuesta de Rikki-Tikki-Tavi