बहु-परत इन्सुलेशन

उपग्रह से मल्टी-लेयर इन्सुलेशन का क्लोज़अप। धातु लेपित प्लास्टिक लेयर और स्क्रिम (पदार्थ) विभाजक दिखाई दे रहे हैं।

मल्टी-लेयर इंसुलेशन (एमएलआई) पतली चादरों की अनेक लेयर्स से बना थर्मल इन्सुलेशन है और इसका उपयोग अधिकांशतः अंतरिक्ष यान और क्रायोजेनिक्स पर किया जाता है। इसे सुपरइंसुलेशन भी कहा जाता है,^[1] एमएलआई अंतरिक्ष यान थर्मल कंट्रोल सबसिस्टम की मुख्य वस्तुओं में से है, जिसका मुख्य उद्देश्य थर्मल विकिरण द्वारा ऊष्मा के हानि को कम करना है। अपने मूल रूप में, यह ताप संचालन या संवहन जैसे अन्य तापीय हानियों से सराहनीय रूप से बचाव नहीं करता है। इसलिए इसका उपयोग सामान्यतः उपग्रह और निर्वात में अन्य अनुप्रयोगों पर किया जाता है जहां संचालन और संवहन बहुत कम महत्वपूर्ण होते हैं और विकिरण प्रभावी होता है। इस प्रकार एमएलआई अनेक उपग्रहों और अन्य अंतरिक्ष जांचों को सोने की पन्नी से आवरण होने का आभास देता है जो कि सिल्वर एल्युमिनाइज्ड माइलर के ऊपर जमा एम्बर रंग की कैप्टन लेयर का प्रभाव है।

गैर-अंतरिक्ष यान अनुप्रयोगों के लिए, एमएलआई केवल वैक्यूम इन्सुलेशन प्रणाली के भाग के रूप में कार्य करता है।^[1] क्रायोजेनिक्स में उपयोग के लिए, लिपटे एमएलआई को वैक्यूम जैकेट वाले पाइपों के एनलस के अंदर स्थापित किया जा सकता है।^[2] उच्च तापमान अनुप्रयोगों में उपयोग के लिए एमएलआई को उन्नत वैक्यूम इन्सुलेशन के साथ भी जोड़ा जा सकता है।^[3]

कार्य और डिज़ाइन

गोल्डन क्षेत्र मार्स रिकोन्नैस्संस ऑर्बिटर पर एमएलआई आवरण हैं

एमएलआई के पीछे का सिद्धांत विकिरण संतुलन है। यह देखने के लिए कि यह क्यों कार्य करता है, ठोस उदाहरण से प्रारंभ करें - बाहरी अंतरिक्ष में सतह के वर्ग मीटर की कल्पना करें, जो 300 K के निश्चित तापमान पर, 1 की उत्सर्जन क्षमता के साथ, सूर्य या अन्य ताप स्रोतों से दूर है। स्टीफ़न-बोल्ट्ज़मैन नियम के अनुसार, यह सतह 460 W विकिरण करेगी। अब कल्पना करें कि प्लेट से 1 सेमी दूर पतली (किन्तु अपारदर्शी) लेयर रखी जाए, वह भी 1 की उत्सर्जन क्षमता के साथ। यह नई लेयर तब तक ठंडी रहेगी जब तक कि यह 230 W विकिरण न कर ले। प्रत्येक पक्ष, जिस बिंदु पर सब कुछ संतुलन में है। नई लेयर मूल प्लेट से 460 W प्राप्त करती है। 230 W मूल प्लेट में वापस विकिरणित होता है, और 230 W अंतरिक्ष में मूल सतह अभी भी 460 W विकिरण करती है, किन्तु 230 W की शुद्ध हानि के लिए, नई लेयर्स से 230 W वापस प्राप्त करती है। तो कुल मिलाकर, अतिरिक्त लेयर जोड़ने से सतह से विकिरण हानि आधी हो गई है।

सुपरकंडक्टिंग फॉल्ट करंट लिमिटर एमएलआई आवरण से आवृत हुआ है

ह्यूजेन्स जांच की गर्म स्लोप को कवर करने वाला एमएलआई

हानि को और कम करने के लिए और लेयर जोड़ी जा सकती हैं। बाहरी सतहों को थर्मल विकिरण के प्रति अत्यधिक परावर्तक बनाकर आवरण को और उत्तम बनाया जा सकता है, जिससे अवशोषण और उत्सर्जन दोनों कम हो जाते हैं। लेयर स्टैक के प्रदर्शन को उसके ऊष्मा हस्तांतरण गुणांक समग्र ऊष्मा हस्तांतरण गुणांक यू के संदर्भ में निर्धारित किया जा सकता है, जो तापमान अंतर $\Delta T$ और क्षेत्र ए के साथ दो समानांतर सतहों के मध्य विकिरण ऊष्मा प्रवाह दर क्यू को परिभाषित करता है

Q=UA\Delta T.

सैद्धांतिक रूप से निर्वात के अंतर्गत निरपेक्ष तापमान $\epsilon _{1}$ और $\epsilon _{2}$ पर उत्सर्जक $T_{1}$ और $T_{2}$ वाली दो लेयर्स के मध्य ऊष्मा स्थानांतरण गुणांक है

U=\sigma (T_{1}^{2}+T_{2}^{2})(T_{1}+T_{2}){\frac {1}{1/\epsilon _{1}+1/\epsilon _{2}-1}},

जहां $\sigma =5.7\times 10^{-8}$ Wm⁻²K⁻⁴ स्टीफन-बोल्ट्जमान स्थिरांक है। यदि तापमान का अंतर बहुत बड़ा नहीं है $|\Delta T|<<(T_{1}+T_{2})/2$ तो N लेयर्स का संग्रह, दोनों पर समान उत्सर्जन क्षमता $\epsilon$ के साथ पक्षों में समग्र ताप स्थानांतरण गुणांक होता है

U=4\sigma T^{3}{\frac {1}{(N-1)(2/\epsilon -1)}},

जहाँ

T=(T_{1}+T_{2})/2

लेयर्स का औसत तापमान है. स्पष्ट रूप से, लेयर्स की संख्या में वृद्धि और उत्सर्जन में कमी दोनों ही ऊष्मा हस्तांतरण गुणांक को कम करते हैं, जो उच्च इन्सुलेशन मूल्य के समान है। अंतरिक्ष में, जहां स्पष्ट बाहरी तापमान 3 K (ब्रह्मांडीय पृष्ठभूमि विकिरण) हो सकता है, स्पष्ट U मान भिन्न होता है।

इन एमएलआई शीटों के दोनों किनारों पर मोटी बाहरी लेयर (बाएं), सफेद जाल स्पेसर (मध्य), और पतली आंतरिक लेयर (दाएं) के साथ एल्यूमीनियम लेपित है, जो लेयर्स के मध्य अतिरिक्त पृथक्करण प्रदान करने के लिए भी संकुचित है। लॉन्च के समय हवा को निकलने की अनुमति देने के लिए चादरों में छिद्र किया गया है।

एमएलआई की लेयर अनैतिक विधि से एक-दूसरे के निकट हो सकती हैं, जब तक कि वह थर्मल संपर्क में न हों। पृथक्करण स्थान को केवल सूक्ष्म होना चाहिए, जो कि अत्यधिक पतले स्क्रिम या पॉलिएस्टर 'ब्राइडल वेल' का कार्य है जैसा कि फोटो में दिखाया गया है। इस प्रकार वजन और आवरण की मोटाई कम करने के लिए, आंतरिक लेयर बहुत पतली बनाई जाती हैं, किन्तु उन्हें थर्मल विकिरण के लिए अपारदर्शी होना चाहिए। चूँकि उन्हें अधिक संरचनात्मक दृढ़ता की आवश्यकता नहीं होती है, ये आंतरिक लेयर सामान्यतः बहुत पतली प्लास्टिक से बनी होती हैं, लगभग 6 μm (1/4 मिलियन) मोटी, जैसे कि माइलर या कैप्टन, या दोनों तरफ धातु की पतली लेयर से लेपित होती हैं , सामान्यतः चांदी या एल्युमीनियम ^[4] सघनता के लिए, लेयर्स को यथासंभव एक-दूसरे के निकट रखा जाता है, चूँकि बिना छुए, क्योंकि लेयर्स के मध्य बहुत कम या कोई तापीय चालकता नहीं होनी चाहिए। सामान्य इन्सुलेशन आवरण में 40 या अधिक लेयर होती हैं।^[4] इस प्रकार लेयर निकली हुई या संकुचित हुई हो सकती हैं, इसलिए वह केवल कुछ बिंदुओं पर ही स्पर्श करती हैं, या पतले कपडा की जाली, या स्क्रिम (पदार्थ) द्वारा भिन्न रखी जाती हैं, जिसे ऊपर चित्र में देखा जा सकता है। बाहरी लेयर सशक्त होनी चाहिए, और अधिकांशतः मोटी और सशक्त प्लास्टिक की होती हैं, जो फाइबरग्लास जैसी सशक्त स्क्रिम पदार्थ से प्रबलित होती हैं।

उपग्रह अनुप्रयोगों में, प्रक्षेपण के समय एमएलआई हवा से भरा होता है। जैसे ही रॉकेट ऊपर चढ़ता है, यह हवा आवरण को हानि पहुंचाए बिना बाहर निकलने में सक्षम होनी चाहिए। इसके लिए लेयर्स में छिद्र या वेध की आवश्यकता हो सकती है,^[5] तथापि इससे उनकी प्रभावशीलता कम हो जाती है।^[6]

क्रायोजेनिक्स में, एमएलआई सबसे प्रभावी प्रकार का इन्सुलेशन है।^[7] इसलिए, इसका उपयोग सामान्यतः तरलीकृत गैस टैंकों (जैसे LNG, तरल नाइट्रोजन या LN₂) में किया जाता है, तरल हाइड्रोजन या LH₂, तरल ऑक्सीजन या LO₂), क्रायोस्टेट, क्रायोजेनिक पाइपलाइन और अतिचालकता इसके अतिरिक्त यह अपने कॉम्पैक्ट आकार और वजन के लिए भी मूल्यवान है। एमएलआई की 40 लेयर्स से बने आवरण की मोटाई लगभग 20 मिमी होती है ^[8] और वजन लगभग 1,2 किग्रा/मीटर².^[9] निर्माताओं के मध्य विधि भिन्न-भिन्न होते हैं, कुछ एमएलआई आवरण का निर्माण मुख्य रूप से सिलाई तकनीक का उपयोग करके किया जाता है। लेयर्स को काटा जाता है, एक-दूसरे के ऊपर रखा जाता है, और किनारों पर साथ सिल दिया जाता है।

अन्य वर्तमान विधियों में पैक पर अल्ट्रासोनिक वेल्डिंग का उपयोग करके अंतिम आवरण आकार की स्पष्ट रूपरेखा को वेल्ड करने के लिए कंप्यूटर एडेड डिजाइन और कंप्यूटर-एडेड विनिर्माण तकनीक का उपयोग सम्मिलित है (बाहरी त्वचा को हाथ से जोड़ने से पहले लेयर्स का अंतिम सेट)।

इन्सुलेशन में सीम और अंतराल एमएलआई आवरण के माध्यम से अधिकांश ऊष्मा रिसाव के लिए जिम्मेदार हैं। थर्मल प्रदर्शन को उत्तम बनाने के लिए सिलाई के अतिरिक्त फिल्म की लेयर्स को ठीक करने के लिए पॉलीएथेरेथेरकीटोन (पीईईके) टैग पिन (कपड़ों पर स्विंग टैग संलग्न करने के लिए उपयोग किए जाने वाले प्लास्टिक हुक के समान) का उपयोग करने के लिए नई विधि विकसित की जा रही है।^[6]

अतिरिक्त गुण

अंतरिक्ष यान धूल के प्रभाव से बचाव की पहली पंक्ति के रूप में भी एमएलआई का उपयोग कर सकता है। इसका सामान्यतः कारण यह है कि इसे उस सतह से सेमी या उससे अधिक दूर रखना है, जहां यह इन्सुलेशन कर रहा है। इसके अतिरिक्त, या अधिक लेयर्स को यंत्रवत् रूप से सशक्त पदार्थ, जैसे बीटा क्लॉथ, द्वारा प्रतिस्थापित किया जा सकता है।

अधिकांश अनुप्रयोगों में इंसुलेटिंग लेयर्स को ग्राउंड किया जाना चाहिए, जिससे वह चार्ज और आर्क का निर्माण न कर सकें, जिससे रेडियो हस्तक्षेप होता है। चूंकि सामान्य निर्माण के परिणामस्वरूप विद्युत के साथ-साथ थर्मल इन्सुलेशन भी होता है, इसलिए इन अनुप्रयोगों में उन बिंदुओं पर कपडा के स्क्रिम के विपरीत एल्यूमीनियम स्पेसर सम्मिलित हो सकते हैं जहां आवरण साथ सिल दिए जाते हैं।

समान पदार्थो का उपयोग करते हुए, सिंगल-लेयर इंसुलेशन और डुअल-लेयर इंसुलेशन (क्रमशः एसएलआई और डीएलआई) भी अंतरिक्ष यान पर सामान्य हैं।

यह भी देखें

तरल हाइड्रोजन टैंक कार, जिस पर मल्टी-लेयर इन्सुलेशन का रूप लगाया जाता है
थर्मल कंट्रोल सबसिस्टम

संदर्भ

↑ ^{Jump up to: 1.0} ^1.1 "खराब वैक्यूम परिस्थितियों में एमएलआई कंबल का उपयोग करना". Meyer Tool & Mfg. (in English). Retrieved 2020-11-25.
↑ "Wrapped MLI | Quest Thermal Group". www.questthermal.com. Retrieved 2020-11-25.
↑ "उच्च तापमान एमएलआई वैक्यूम इन्सुलेशन प्रदर्शन को अगले स्तर पर ले जाता है". Advanced Vacuum Insulation for Applications from -270°C to 1000°C (in English). 2019-07-31. Retrieved 2020-11-25.
↑ ^{Jump up to: 4.0} ^4.1 Savage, Chris J. (2003). "Thermal Control of Spacecraft". In Peter W. Fortescue; John Stark; Graham Swinerd (eds.). अंतरिक्ष यान सिस्टम इंजीनियरिंग (3 ed.). John Wiley and Sons. pp. 378–379. ISBN 978-0-470-85102-9.
↑ "छिद्रित करना". Dunmore. Retrieved 27 April 2014.
↑ ^{Jump up to: 6.0} ^6.1 Ryuta Hatakenaka; Takeshi Miyakita; Hiroyuki Sugita (14–18 July 2013). "Thermal Performance and Practical Utility of a MLI Blanket using Plastic Pins for Space Use". 43rd International Conference on Environmental Systems 2013 : Vail, Colorado, USA, 14-18 July 2013. p. 2432. doi:10.2514/6.2013-3503. ISBN 978-1-62748-896-9.
↑ क्रायोजेनिक इन्सुलेशन सिस्टम (Report). January 1999.
↑ Mazzone, L.; Ratcliffe, G.; Rieubland, J.M.; Vandoni, G. (November 21, 2002). एक सरल गैर-कैलोरीमेट्रिक विधि का उपयोग करके, उच्च सीमा तापमान पर मल्टी-लेयर इन्सुलेशन का मापन (PDF) (Report). European Organization for Nuclear Research. Retrieved November 23, 2022.
↑ "होम - फ्रैको टर्म". 8 May 2020.

बाहरी संबंध

"As Good as Gold: Are satellites covered in gold foil?". National Environmental Satellite, Data, and Information Service. January 8, 2016.
Satellite Thermal Control Handbook, ed. David Gilmore. ISBN 1-884989-00-4. In particular, Chapter 5, Insulation, by Martin Donabedian and David Gilmore.
Tutorial on temperature control of spacecraft by JPL
"Cassini dons its thermal cloak" (Press release). NASA JPL. 1997-01-03. Archived from the original on 2007-09-04. Retrieved 2009-01-08.
Typical specialist article on tests of Cassini's MLI
Multi-layer Insulation (MLI) Applications
Multi layer insulation material guidelines-NASA publication from 1999 https://ntrs.nasa.gov/citations/19990047691
MLI types and properties

[:0-1] {Jump up to: 1.0} ^1.1 "खराब वैक्यूम परिस्थितियों में एमएलआई कंबल का उपयोग करना". Meyer Tool & Mfg. (in English). Retrieved 2020-11-25.

[2] "Wrapped MLI | Quest Thermal Group". www.questthermal.com. Retrieved 2020-11-25.

[3] "उच्च तापमान एमएलआई वैक्यूम इन्सुलेशन प्रदर्शन को अगले स्तर पर ले जाता है". Advanced Vacuum Insulation for Applications from -270°C to 1000°C (in English). 2019-07-31. Retrieved 2020-11-25.

[Savage-4] {Jump up to: 4.0} ^4.1 Savage, Chris J. (2003). "Thermal Control of Spacecraft". In Peter W. Fortescue; John Stark; Graham Swinerd (eds.). अंतरिक्ष यान सिस्टम इंजीनियरिंग (3 ed.). John Wiley and Sons. pp. 378–379. ISBN 978-0-470-85102-9.

[5] "छिद्रित करना". Dunmore. Retrieved 27 April 2014.

[hatakenaka-6] {Jump up to: 6.0} ^6.1 Ryuta Hatakenaka; Takeshi Miyakita; Hiroyuki Sugita (14–18 July 2013). "Thermal Performance and Practical Utility of a MLI Blanket using Plastic Pins for Space Use". 43rd International Conference on Environmental Systems 2013 : Vail, Colorado, USA, 14-18 July 2013. p. 2432. doi:10.2514/6.2013-3503. ISBN 978-1-62748-896-9.

[7] क्रायोजेनिक इन्सुलेशन सिस्टम (Report). January 1999.

[8] Mazzone, L.; Ratcliffe, G.; Rieubland, J.M.; Vandoni, G. (November 21, 2002). एक सरल गैर-कैलोरीमेट्रिक विधि का उपयोग करके, उच्च सीमा तापमान पर मल्टी-लेयर इन्सुलेशन का मापन (PDF) (Report). European Organization for Nuclear Research. Retrieved November 23, 2022.

[9] "होम - फ्रैको टर्म". 8 May 2020.

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