Todos los radiadores mostrados dependen más de la convección que de la radiación. No hay convección en el espacio. Los radiadores con aletas en el espacio tienden a tener las aletas en el mismo plano en lugar de planos paralelos (la primera imagen) o planos diferentes (las dos últimas imágenes).

El radiador ideal de una nave espacial tiene una sección transversal muy pequeña a la radiación solar y una sección transversal muy grande normal a la dirección del Sol y normal a la radiación de otras aletas. Ninguno de los radiadores que se muestran en la pregunta tiene esas características. El concepto de radiaciones con aletas sigue siendo útil en aplicaciones espaciales, pero eso se debe a las restricciones de lanzamiento. Lanzar un radiador monolítico delgado con un área muy grande es bastante difícil. Es mejor lanzar algo que pueda desplegarse.

A continuación se muestra uno de los conjuntos de radiadores térmicos de la Estación Espacial Internacional, de Oren y Howell.

Cada conjunto comprende tres radiadores (que también pueden denominarse "aletas"). A diferencia de las aletas de un dispositivo de refrigeración conectado a la Tierra, los radiadores ("aletas") de un conjunto de ISS no están uno frente al otro. Cada radiador consta de una base, un mecanismo de despliegue, varios paneles (que también pueden denominarse "aletas") y un circuito de fluido de amoníaco que suministra fluido tibio a los paneles y devuelve fluido enfriado desde los paneles. Las bases están conectadas a la estación espacial propiamente dicha a través de una junta giratoria.

A diferencia de las aletas de un dispositivo de refrigeración conectado a la Tierra, los radiadores ("aletas") de un conjunto de ISS no están uno frente al otro. Los paneles no están perfectamente alineados debido a las limitaciones del mecanismo de despliegue, pero están cerca.

Referencias:

Oren, John A. y Harold R. Howell. "Diseño y desarrollo del ensamblaje del radiador del subsistema de rechazo de calor de la estación espacial". Transacciones SAE (1995): 1086-1095.

Sí, los disipadores de calor con aletas se utilizan en el vacío del espacio. El límite en el número de aletas es si las aletas pueden "verse" entre sí.

Se pueden ver ejemplos de tales disipadores de calor con aletas en los RTG en naves espaciales como Voyager , Cassini, New Horizons y Gallileo.

Sin embargo, a diferencia de los disipadores a los que te refieres, las aletas de los RTG no forman parte de un todo contiguo, sino que son una serie de radiadores de un solo plano, dispuestos alrededor de una fuente de calor, el punto es tener un alto gradiente térmico en el punto de unión.

Como se menciona en otra publicación de este SE, la energía del sol, por ejemplo, calentará una embarcación en el lado que mira hacia el sol, a menos que se mitigue con material reflectante.

El lado oscuro de la nave espacial irradiará calor al espacio vacío.

En el caso de una superficie plana, la dirección de la energía es generalmente "lejos". Si hay una aleta adyacente a la superficie radiante, absorberá la energía radiada. Con múltiples aletas, el resultado neto sería que la energía solo se disipa por los bordes de las aletas y los paneles exteriores del último conjunto.

La razón por la que las superficies terrestres tienen aletas es que la convección también ayuda a eliminar el calor. El flujo de aire entre las aletas absorberá energía por conducción y convección. Si no hay flujo de aire, el calor sigue siendo un problema. En el espacio, no hay convección externa a la nave espacial.

Creo que lo que otras respuestas han pasado por alto o pasado por alto es la irradiación solar. Un radiador con el borde plano hacia la luz del sol será un calentador fuerte, no un radiador. Con 1440 vatios / m ^ 2, es casi imposible alcanzar el punto de equilibrio al irradiar a través del lado 'oscuro' frente a absorber a través del lado iluminado por el sol si ambos tienen un área de superficie similar.

Por lo tanto, los radiadores están hechos de tal manera que la superficie que mira hacia el Sol ("borde") es la menor posible, mientras que el área que mira hacia el espacio oscuro se maximiza.

Esto aún permitiría cualquier perfil de "lámina" de sección transversal, como aletas de diente de sierra, onduladas o paralelas; como otros señalaron, esto no brinda ninguna ventaja sobre lo plano, aunque una sección de un cilindro (superficie convexa) podría brindar alguna ventaja. Sin embargo, viene con otra desventaja:

Un radiador plano con el borde girado hacia el Sol aún puede girar en el eje perpendicular a la superficie; no importa mucho qué borde mire hacia el Sol. También se puede girar en el eje Sol-nave espacial, es decir, dos grados de libertad sin impacto negativo en el rendimiento. Eso significa que un simple pivote de 1 eje siempre puede orientar el radiador "al borde del Sol", independientemente de la orientación de la nave espacial. Si hubiera una estructura 3D en su superficie, aún podría girar en el eje de la nave espacial del Sol, pero no en el eje perpendicular a la superficie: sus aletas en lugar de los extremos hacia el Sol, estarían orientados hacia el Sol. Eso significa que necesitaría un actuador más complejo para mantenerlos en un ángulo óptimo, o la nave espacial tendría que mantener una actitud específica, independientemente de otras necesidades de la misión.

(Tenga en cuenta que esto sigue siendo un problema para los paneles solares, ya que maximizar la exposición restringe dos ejes para su superficie plana, mientras que minimizarla, como en el caso de los radiadores, restringe solo uno).

Así que esto no es para los radiadores principales, pero la ISS usa placas de aletas entrelazadas para transferir calor entre las cajas eléctricas en los trusses P6, P4, S4 y S6 y los sistemas de rechazo de calor correspondientes.

Desafortunadamente, no puedo encontrar una imagen, pero imagine la imagen superior de su pregunta, pero con dos de ellos uno frente al otro, con las aletas intercaladas.

Radiación de cuerpo negro

Para todos los efectos, debemos considerar los radiadores de las naves espaciales como radiadores de cuerpo negro. Wikipedia nos recuerda que la emisión de cuerpo negro es completamente independiente de la forma del radiador:

La radiación de cuerpo negro tiene la única distribución absolutamente estable de intensidad radiativa que puede persistir en equilibrio termodinámico en una cavidad.[17] En equilibrio, para cada frecuencia, la intensidad total de la radiación emitida y reflejada por un cuerpo (es decir, la cantidad neta de radiación que sale de su superficie, llamada radiación espectral) está determinada únicamente por la temperatura de equilibrio y no depende de la temperatura. forma, material o estructura del cuerpo.[20]

Impulsión sin reacción

Ahora bien, hay una razón muy sencilla por la que la radiación del cuerpo negro no debe respetar la forma ni la orientación: si lo hiciera, ¡se podría crear un impulso sin reacción! ¿Qué? ¿¡¿Cómo puede ser esto?!? Ok, imagina una esfera cálida y sólida, brillando en el espectro habitual de un cuerpo negro. Es una esfera perfecta, por lo que no tenemos ningún problema en imaginar que está disparando fotones en todas las direcciones imaginables con una densidad de probabilidad uniforme para cada frecuencia.

Ahora, imagina que pudiéramos ajustar topológicamente la emisión del cuerpo negro (cambiando la forma). Supongamos que colocando un pequeño cráter en una parte de la esfera, que tiene una curvatura más profunda que la parte de la esfera que reemplaza, podemos aumentar la radiación proveniente de esta parte. La lógica es que debido a que el cráter tiene un área de superficie más grande, pueden salir más fotones del cráter que el trozo de superficie de la esfera reemplazada. Pero, ¿qué implica eso? ¡Bueno, significa que salen más fotones del lado del cráter de la esfera que del lado liso! Por lo tanto, ahora tenemos un diferencial de presión de radiación, que hace que el cráter actúe como un pequeño motor.

"Pero espera, ¡así es como funcionan los motores de cohetes!" Sí, excepto que están haciendo trabajo para producir movimiento. Un motor de cohete está lejos del equilibrio térmico, pero nuestro "propulsor de esfera abollada" es un cuerpo negro perfecto por suposición . Por lo tanto, no está realizando ningún trabajo que justifique una aceleración. Y, por supuesto, esto habilitaría un "dispositivo de energía libre" (simplemente coloque la esfera dentro de un generador grande donde podría empujar algo para producir electricidad).

Conclusión

Por lo tanto, los ingenieros son libres de hacer que los dispositivos de radiador tengan la forma que deseen, incluida una tira de Moebius, un árbol o un copo de nieve. Todos deberían irradiar energía a la misma velocidad para una temperatura dada. Lo que significa que son libres de optimizar para otras limitaciones, como el espacio de lanzamiento, la radiación solar incidente, etc.

El radiador en el espacio tiene el significado completo de la palabra "radiador": irradia calor. No hay otro intercambiador de calor disponible.

Para irradiar el calor de manera eficiente, tiene que ser negro, no idealmente negro, pero lo suficientemente negro alrededor de las longitudes de onda dominantes de su temperatura. En este sentido, las aletas pueden ayudar: pueden hacer que la superficie sea "más negra" por múltiples reflejos, pero para hacerlo, deben estar espaciadas más que las longitudes de onda involucradas. Bueno, para temperaturas de ~ 300K que la mayoría de las cosas hechas por humanos funcionan, las aletas funcionan principalmente, pero solo para una superficie limitada.

En el espacio, generalmente es la masa la que está limitada y está bien enderezar las aletas y obtener una eficiencia aún mejor para la misma masa.

Pocos parecen haber notado que la conductividad térmica de las aletas puede afectar sustancialmente la transferencia de energía del oído desde la fuente hasta el punto de radiación.
Esto se ve afectado por el material y el espesor.
Al diseñar disipadores de calor convectivos, este puede ser un factor de diseño importante.

Un punto de transferencia radiativa es que parte de la energía llega a otras superficies a través de caminos radiativos y luego se vuelve a radiar. Por lo tanto, el camino largo a través de la estructura de aletas se omitirá parcialmente. Incluso PUEDE ser capaz de crear una estructura con "aletas flotantes que acepten el calor irradiado desde" más cerca ", doble su camino un poco por conducción y luego lo irradie de manera más óptima.

¡Tal vez las ranuras o los agujeros en las aletas pueden proporcionar caminos para caminos de ángulo bajo de alta radiación que luego se giran a unos 90 grados por re-radiación! :-)

Súper duro:

Escuché una charla interesante en la que el profesor sugirió una serie de aletas radiativas cónicas invertidas para aplicaciones espaciales y mostró simulaciones de sus comparaciones con aletas radiativas cilíndricas huecas.

Descubrieron que era más efectivo ya que una vez en el espacio, el arrastre debido a tal diseño no sería un problema... por lo que en su mayoría solo se sugirió para satélites.

El documento más cercano sobre esto que pude encontrar está aquí.

No he examinado de cerca el diseño que ha descrito y tratado de responder a su pregunta al final preguntando sobre una investigación similar.

Su argumento parece ser que ha aumentado el área de la superficie en un factor de hasta 5. Suponiendo que la conducción de calor sea perfecta dentro del disipador de calor, irradiará 5 veces más energía con esa disposición. Pero creo que se ha olvidado de considerar dónde termina esa radiación.

Configuremos un sistema de coordenadas en el que el radiador plano original esté en el plano XY, radiando principalmente en la dirección Z, o "hacia arriba". Si su nave espacial es mucho más grande que su disipador de calor en el plano XY, entonces la mitad de los rayos de los lados del disipador de calor con aletas irradian "hacia abajo" y golpean la nave espacial. Por lo tanto, vuelve a 3 veces más energía radiada, con 5 veces más área de superficie y mayor masa. (No creo que sea posible decir cuánta masa más sin conocer las partes internas). También debe tener cuidado de no calentar accidentalmente los componentes que está tratando de mantener fríos. (Cualquier tipo de equipo de medida sensible, antenas, telescopios...)

Si su nave espacial no es mucho más grande que su disipador de calor en el plano XY (supongamos que tiene el mismo tamaño), entonces efectivamente ha hecho que su nave espacial sea más larga. En ascii crudo, lo has extendido desde el principio | al segundo |.

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Ahora creo que su disipador de calor con aletas funciona como espera, si todas las superficies están protegidas del sol. Debido a que las superficies están orientadas en 5 direcciones (suponiendo una sección transversal rectangular), será mucho más difícil.

Nota: He tratado su disipador de calor con aletas como el límite de un cubo sólido, ya que descubrió que ofrece el mejor rendimiento, y otras respuestas ya explican que no puede modificar las emisiones de cuerpo negro eliminando material.

La transferencia de calor por radiación es efectivamente por resplandor: ya sea un resplandor de luz visible en el caso del sol o una bombilla de luz incandescante, o un resplandor infrarrojo en el caso de objetos más fríos.

Como tal, lo que importa es qué tan buena es la vista (línea de visión) que tiene un observador distante de las superficies.

En su diseño de cinco aletas, ha tomado seis láminas de aluminio de 1 m2 y las ha dispuesto como cinco aletas (área total expuesta 10 m2) más la placa base (solo un lado expuesto, 1 m2). Este es un gran diseño para la transferencia de calor por convección.

Para la transferencia de calor por radiación, las tres placas del medio no están haciendo mucho, porque la mayor parte de la radiación que producen golpea otra placa y se reabsorbe. También obstruyen la vista de la placa base, que también estará irradiando. Mirando esto desde la parte superior o desde los extremos, verá un área brillante con forma de cubo. Sin embargo, desde un lado, podrá ver directamente entre las aletas y no verá mucho brillo.

Un mejor diseño sería descartar una de esas dos placas intermedias y girar las otras 90 grados, para hacer un cubo. Ahora estás usando solo cinco platos, y no importa desde qué ángulo lo mires, verás un cubo completo brillando. Sin embargo, el área visible total sigue siendo de solo 5 m2.

Mejor aún sería tomar tres de las placas, colocarlas en un rectángulo de 3x1 y montarlas en su borde. Ahora ha usado solo 3 placas y tiene un área visible de 6 m2 (ambos lados se usan para la radiación). Como han señalado otros, otra ventaja es que esto se puede girar hacia el sol.

El análisis anterior se basa en la suposición de que la superficie de las placas es una superficie de cuerpo negro perfecta. si las placas son algo reflectantes y, por lo tanto, más pobres que los radiadores de cuerpo negro, es posible que obtenga alguna ventaja de las aletas adicionales, pero los revestimientos superficiales disponibles son bastante buenos, muy negros en el rango de longitudes de onda correspondientes a su temperatura de diseño y más del 95% de eficiencia .

La conductividad de las placas es un problema para los radiadores grandes, y el fluido puede circular para ayudar en la transferencia de calor a la superficie radiante. Para radiadores más pequeños a temperatura moderada, la conductividad no es un gran problema, porque el cuello de botella está en la superficie misma: la transferencia de calor por radiación a temperaturas moderadas es deficiente.

La ley de stefan-boltzmann se puede utilizar para determinar el tamaño del radiador. El flujo de calor radiativo depende de la temperatura (relativa al cero absoluto) elevada a la cuarta potencia.

Flux (W/m2) = (5.67*10^-8)*(Temp / K)^4 

Temp K   Temp C   Flux W/m2
200K     -73C     90.7 W/m2
300K      27C      459 W/m2
400K     127C     1452 W/m2

La radiación solar en la órbita terrestre es de 1361 W/m2, lo que significa que una superficie aislada de un solo lado (como la superficie de la luna) alcanzará una temperatura de equilibrio de 393K = 120C, momento en el cual la cantidad de radiación que emite será igual a la cantidad absorbe

A temperaturas más bajas, el flujo de calor es mucho menor y se necesitan áreas mucho mayores para lograr la misma pérdida de calor. Por eso es importante asegurarse de que los radiadores se mantengan fuera de la vista del sol.

Para una aplicación más terrestre, vea este video sobre calderas acuotubulares de vapor. Tenga en cuenta que los tubos en la cámara de combustión donde ocurre la transferencia de calor radiante no tienen aletas (vea la miniatura del video y 4 minutos en, por ejemplo). La transferencia de calor es en la dirección opuesta, pero el argumento de la línea de visión es el mismo y explica por qué. las aletas no son beneficiosas. Puede haber un "economizador" instalado en la salida de la chimenea donde se produce el calentamiento por convección y normalmente tienen aletas.