Acktar’s Metal Velvet

Die Studie zeigt das Potenzial von VO₂-basierten thermochromen Emittern für die Wärmeregulierung in Raumfahrzeugen, indem ihre Wärmeabgabe je nach den unterschiedlichen Umgebungsbedingungen oder der Wärmebelastung des Raumfahrzeugs variiert wird, wobei die Strahlungsleistung während des VO₂-Phasenübergangs stark ansteigt.
Ziel der Studie war es, die thermischen Strahlungseigenschaften von VO₂-Dünnschichten (Vanadiumdioxid) und einem nanophotonischen VO₂-Variablen Emitter zu untersuchen, dessen Hystereseverhalten bei teilweiser Erwärmung und anschließender Abkühlung zu untersuchen und das Potenzial von VO₂-basierten thermochromen Emittern für die Temperaturregelung von Raumfahrzeugen aufzuzeigen.
Die Studie verwendet ein kryothermisches Vakuumexperiment, um eine kalte Weltraumumgebung zu simulieren, mit einem mit flüssigem Stickstoff gekühlten Kryostaten und einem Vakuumdruck. Außerdem wurde eine nanophotonische Beschichtung verwendet. Diese passt ihre Infrarotemission passiv an die Temperatur an und ermöglicht so eine effiziente Strahlungskühlung im Weltraum, ohne dass elektrische Energie benötigt wird. Die nanophotonische Beschichtung zeigte die Fähigkeit, ihre thermischen Eigenschaften dynamisch zu verändern.
Der Versuchsaufbau umfasste Oberflächen, die mit Acktars Metal Velvet beschichtet waren. Diese Beschichtung wurde verwendet, um die Bedingungen im Weltraum zu modellieren und Streustrahlung zu minimieren, da sie eine ideale IR-Beschichtung ist. Dieses Material bot einen gleichmäßigen Hintergrund, der für genaue Messungen der thermischen Emission entscheidend ist. Der Beitrag der Beschichtung von Acktar war entscheidend, um eine zuverlässige Strahlungsumgebung aufrechtzuerhalten und die Unterdrückung von Streulicht während der Tests sicherzustellen.
Die Ergebnisse zeigen, dass die nanophotonische Probe mit variabler Emission bei niedrigen Temperaturen ein ähnliches Verhalten wie der Aluminiumspiegel aufweist, aber wenn die Temperatur über den Beginn des VO2-Phasenübergangs hinaus ansteigt, verschiebt sich der Trend und die Emission beginnt abrupt anzusteigen. Die von jeder Probe erreichte Gleichgewichtstemperatur wird verwendet, um die Strahlungswärmeabgabe jeder Probe an den Kaltfinger als Funktion der Gleichgewichtstemperatur abzuleiten.
Der dunkelste schwarze Hintergrund ermöglichte eine genaue Beobachtung des Verhaltens des variablen Emitters und zeigte eine ausgezeichnete thermische Stabilität in einem breiten Temperaturbereich ohne Leistungsabfall. Darüber hinaus wurden im Rahmen der Forschung mehrere Modelle zur Vorhersage von Hysterese Effekten während der teilweisen Erwärmung und Abkühlung vorgestellt. Diese sind für den Betrieb von Raumfahrzeugen relevant, bei denen die Oberflächentemperaturen dynamisch variieren können.

S. Taylor, N. Boman, J. Chao, and L. Wang, „Cryothermal vacuum measurement of thermochromic variable-emittance coatings with heating/cooling hysteresis for spacecraft thermal management,“ Applied Thermal Engineering, vol. 199, Article 117561, 2021, doi: 0.1016/j.applthermaleng.2021.117561