P: ¿Qué tan caliente / frío sería una superficie metálica que orbita la Tierra debido a la radiación solar?
El calor que haga dependerá de muchas cosas. Tratemos de estimar qué tan caliente podría ponerse.
Como el peor de los casos, consideremos una superficie plana, orientada hacia el Sol en ángulo recto, con su parte posterior aislada (por ejemplo, superficie de aluminio pulido, aislamiento de múltiples capas, o similares). Esto podría representar la temperatura más alta posible de una parte del casco si casi nada del calor se irradia o conduce a otras partes de la nave.
A modo de comparación, también podemos calcular qué tan frío se mantendría un objeto si fuera un objeto esférico que girara bastante rápido o dispersa el calor de manera uniforme dentro de sí mismo, ya sea por conducción o mediante el uso de tubos de calor o un refrigerante para transferir calor.
Las temperaturas reales para los objetos reales deben estar entre esos dos valores.
Además de la forma y orientación, el factor más importante es la superficie del objeto. Las dos propiedades determinantes son la capacidad de absorción a (un valor promedio sobre el espectro del Sol) y la emisividad e (en el espectro IR).
Temperaturas para varias superficies.
Estas son las temperaturas de equilibrio para una placa plana con respaldo aislado y para un cuerpo esférico:
- cuerpo negro (o aluminio anodizado negro – a = 0.88, e = 0.88)
Superficie plana de 394 K (121 ° C), esfera de 279 K (6 ° C)
- acero inoxidable (a = 0.41, e = 0.11)
Superficie plana de 548 K (275 ° C), esfera de 387 K (114 ° C)
- aluminio pulido (a = 0.14, e = 0.03)
Superficie plana de 579 K (306 ° C), esfera de 410 K (137 ° C)
- níquel negro (a = 0.87, e = 0.09)
Superficie plana de 695 K (422 ° C), esfera de 491 K (218 ° C)
- cobre pulido (a = 0.30, e = 0.02)
Superficie plana de 776 K (503 ° C), esfera de 548 K (275 ° C)
- pintura blanca Z93, utilizada para radiadores térmicos en ISS (a = 0.16, e = 0.92)
Superficie plana de 255 K (-18 ° C), esfera de 180 K (-93 ° C)
- película de plata / teflón 5 mil (a = 0.08, e = 0.81)
Superficie plana de 221 K (-52 ° C), esfera de 156 K (-117 ° C)
- Película de aluminio / kapton de 1 mil (a = 0.38, e = 0.67)
Superficie plana de 342 K (69 ° C), esfera de 242 K (-31 ° C)
- oro anodizado de aluminio, utilizado para pasamanos de EVA en ISS (a = 0.48, e = 0.82)
Superficie plana de 345 K (71 ° C), esfera de 244 K (-29 ° C)
- aluminio anodizado transparente (a = 0.37, e = 0.81)
Superficie plana de 324 K (51 ° C), esfera de 229 K (-44 ° C)
Tenga en cuenta que la capacidad de absorción y la emisividad de los metales sin recubrimiento pueden variar mucho según el acabado y el grado de oxidación, por lo que las temperaturas calculadas son solo cifras aproximadas. Básicamente, cualquier superficie metálica desnuda es mala. Debido a la baja emisividad en el espectro IR, las superficies de metal desnudo se calentarían bastante. Sin embargo, el aluminio anodizado tiene propiedades favorables y es más resistente y duradero que las pinturas.
Fórmulas utilizadas
Para una placa plana con respaldo aislado:
T = (1368 * a / e /5.67e-8)^.25
Para una esfera:
T = (1368 * a / e /4/5.67e-8)^.25
Lo que no se consideró
Los cálculos anteriores consideran solo la radiación del sol. En realidad, esto sería cierto a cierta distancia de la Tierra, digamos en OSG o en el punto L1 Tierra-Luna. En LEO, uno debería tener en cuenta la radiación adicional proveniente de la Tierra, lo que aumentaría la temperatura máxima teórica. Por otro lado, el tiempo que pasa en la sombra de la Tierra permitiría que las superficies se enfriaran, posiblemente nunca permitiéndoles alcanzar la temperatura máxima en el lado soleado.
