Refrigeración de un satélite

Question

Los satélites son sistemas aislados, la única forma de transferir el calor del cuerpo al espacio exterior es la radiación térmica. Hay paneles solares, por lo que hay un flujo continuo de energía hacia el sistema interior. No hay flujo de aire para transferir el calor acumulado al espacio exterior con facilidad. ¿Qué tipo de sistema de refrigeración se utiliza en los satélites?

Answer 1

Normalmente, los satélites utilizan la refrigeración radiativa para mantener el equilibrio térmico a una temperatura deseada.

La forma de hacerlo depende en gran medida de las características de la órbita del satélite alrededor de la Tierra. Por ejemplo, los satélites sincrónicos al sol suelen tener siempre un lado en la luz del sol y otro en la oscuridad. Estos son particularmente fáciles de mantener fríos porque se puede aplicar un recubrimiento blanco en el lado expuesto al sol y otro negro en el lado oscuro. El revestimiento blanco tiene un valor bajo de absorción radiativa, mientras que el revestimiento negro tiene un valor alto de emisión radiativa. Esto significa que puede absorber la menor cantidad de luz posible mientras emite más radiación térmica.

Los distintos tipos de satélites tienen diferentes estrategias de refrigeración, pero en general, la refrigeración se consigue aplicando a la nave espacial revestimientos funcionales que disminuyen o aumentan la absortividad/emisividad/reflectividad de sus distintas superficies. Al diseñar 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.

Me resulta difícil ser más específico que esto. Pero esta es la razón por la que cualquier buen ingeniero espacial sabe encontrar un revestimiento con los valores de absorción/emisividad deseados en un día o dos.

Answer 2

Por ejemplo, la Estación Espacial Internacional (ISS) tiene radiadores térmicos externos. Su aspecto es similar al de los paneles solares, pero en lugar de apuntar el lado plano hacia el sol, apuntan hacia el espacio vacío. Un bucle de amoníaco transporta el calor desde varias partes de la estación espacial hasta los radiadores.

Esta es una imagen de un radiador: ( fuente )

• Sistema de control térmico activo externo en Wikipedia

Answer 3

El propio satélite puede funcionar con refrigeración radiativa, pero algunos instrumentos de a bordo, como los sensores de infrarrojos, requieren temperaturas tan bajas como 4 K, para lo que se utilizan dewars de helio. Los bolómetros requieren temperaturas aún más bajas (en el rango de mK).

Hay un buen resumen disponible aquí .

Answer 4

Existen 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 sólo por radiación, suponiendo que la nave espacial esté fuera de la atmósfera de un planeta como la Tierra o Titán (la mayor luna de Saturno) o Marte. Se puede utilizar una combinación de uno o más métodos de gestión térmica, dependiendo de 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. He aquí algunos ejemplos:

1. Utilizar revestimientos y mantas para aislar la nave 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 un rango de temperatura deseado. El exceso de calor generado se rechaza, por ejemplo, fijando directamente los equipos de alta potencia a la superficie de una placa metálica, llamada radiador.

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

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

4. Los materiales que cambian de fase, como la parafina, tienen una gran capacidad calorífica y pueden almacenar y liberar calor a demanda pasando por la fusión/congelación

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

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

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

He aquí algunos ejemplos:

1. La estación espacial internacional, un enorme satélite, utiliza un circuito de fluido bombeado mecánicamente. El explorador de Marte y la vuelta científica a Marte también utilizan bucles de fluido 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 cuenta con un sensor de infrarrojos, además de revestimientos y mantas, utiliza materiales de cambio de fase combinados con un bucle de helio que rechaza el calor a través de radiadores.

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

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

Morteza Eslamian, PhD
Ingeniero de fluidos/térmico