Laserkoeling voor satellieten

De toenemende vermogensdichtheid van satellieten zorgt voor een groeiend probleem in de ruimtevaart: warmteafvoer. Omdat in het vacuüm van de ruimte geen convectie mogelijk is, kunnen satellieten hun warmte uitsluitend via straling afgeven. Onderzoekers van het Duitse Fraunhofer Institute for Telecommunications, Heinrich-Hertz-Institut (HHI) werken daarom aan een nieuwe methode om metalen oppervlakken van satellietcomponenten en raketonderdelen zo te bewerken dat ze warmte aanzienlijk efficiënter uitstralen.

Elektronische systemen aan boord van satellieten worden steeds krachtiger. Communicatiemodules, sensoren, radarapparatuur en dataverwerkingssystemen produceren daardoor meer warmte. Tegelijkertijd is warmteafvoer in de ruimte bijzonder lastig. Zonder lucht of vloeistof rondom een satelliet blijft warmtestraling de enige manier om overtollige energie af te voeren. Onvoldoende koeling kan leiden tot prestatieverlies, versnelde veroudering van elektronica of zelfs uitval van kritische subsystemen.

Traditioneel worden hiervoor radiatoren, heat pipes en loop heat pipes ingezet. Deze systemen transporteren warmte naar oppervlakken die de energie vervolgens uitstralen naar de koude ruimteomgeving. Vooral bij compacte satellieten neemt de druk toe om dergelijke systemen lichter, efficiënter en kleiner te maken.

Laserstructuren vergroten warmtestraling

Het Fraunhofer-team kiest een andere benadering: niet het transportsysteem verbeteren, maar het oppervlak zelf optimaliseren. Met behulp van femtoseconde- en nanosecondelasers worden microscopische structuren aangebracht op metalen oppervlakken van satellietcomponenten en raketmotoronderdelen. Deze lasertexturen veranderen de optische eigenschappen van het materiaal waardoor het meer warmte kan uitstralen.

Het principe is vergelijkbaar met een zwarte radiator: hoe hoger de emissiviteit van een oppervlak, hoe efficiënter het warmte afgeeft via infraroodstraling. Door het oppervlak op microschaal te structureren kan die emissiviteit aanzienlijk worden verhoogd zonder extra coatings of aanvullende componenten toe te voegen.

Een belangrijk voordeel is dat de oplossing nauwelijks extra massa toevoegt. Bovendien kan de techniek rechtstreeks worden toegepast op bestaande metalen onderdelen.

Geschikt voor satellieten en raketten

Volgens Fraunhofer beperken de toepassingen zich niet tot satellieten. Ook raketmotoren en mondstukken kunnen bijvoorbeeld profiteren van verbeterde warmteafvoer.

Voor satellietbouwers sluit de technologie aan bij een bredere trend richting passieve thermische beheersystemen. Passieve oplossingen zijn aantrekkelijk omdat ze geen extra energie verbruiken, geen bewegende onderdelen bevatten en daardoor een hoge betrouwbaarheid bieden gedurende de volledige missielevensduur.