多層断熱材

多層断熱材（MLI）は、薄いシートの複数の層で構成された断熱材で、宇宙船や極低温機器によく使用されます。超断熱材とも呼ばれる^{[ 1 ]} MLIは、宇宙船の熱設計の主要項目の1つであり、主に熱放射による熱損失を低減することを目的としています。基本的な形態では、熱伝導や対流などの他の熱損失を著しく遮断する効果はありません。そのため、伝導や対流の影響がはるかに小さく、放射が支配的な真空環境の衛星やその他の用途で一般的に使用されています。MLIは、銀色のアルミ蒸着マイラーの上に琥珀色のカプトン層を堆積させることで、多くの衛星やその他の宇宙探査機が金箔で覆われているように見える効果をもたらします。

宇宙船以外の用途では、MLIは真空断熱システムの一部としてのみ機能します。^{[ 1 ]}極低温用途では、ラップされたMLIを真空ジャケット付きパイプの環状部内に設置できます。^{[ 2 ]}また、MLIは高温用途で使用するために高度な真空断熱と組み合わせることもできます。^{[ 3 ]}

MLIの原理は放射平衡です。例えば、宇宙空間にある1平方メートルの表面を考えてみましょう。この表面は、太陽や他の熱源から離れた方向に向いており、放射率は1で、温度は300 K（27 °C、80 °F）に固定されています。ステファン・ボルツマンの法則によれば、この表面は約460 Wを放射します。次に、このプレートから1 cm（0.4インチ）離れたところに、放射率が1の薄い（ただし不透明な）層を配置することを想像してみてください。この新しい層は、両面から230 Wを放射するまで冷却され、その時点で正味の熱流が平衡します。新しい層は、元のプレートから460 Wを受け取ります。この層も合計で460 Wを放射し、その半分は元のプレートに、残りの半分は宇宙に放射されます。元の表面は依然として460Wの熱を放射しますが、新しい層から230Wの熱が戻ってくるため、正味の損失は230Wとなります。全体として、追加の層を設けることで、表面からの放射損失は半分に減少します。            

損失をさらに低減するために、層を追加することができます。ブランケットは、外側の表面を熱放射に対して高い反射率にすることで、吸収と放出の両方を低減し、さらに性能を向上させることができます。層スタックの性能は、温度差のある2つの平行面間の放射熱流量Qを定義する総括熱伝達係数Uによって定量化できます。${\displaystyle \Delta T}$そしてエリアAは

${\displaystyle Q=UA\Delta T.}$

理論的には、放射率が異なる2つの層間の熱伝達係数は$\displaystyle \epsilon _{1}}$そして$\displaystyle \epsilon _{2}}$絶対温度において${\displaystyle T_{1}}$そして${\displaystyle T_{2}}$真空下では、

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

どこ${\displaystyle \sigma =5.67\times 10^{-8}}$Wm ⁻² K ⁻⁴はステファン・ボルツマン定数です。温度差があまり大きくない場合 (${\displaystyle |\Delta T|<<(T_{1}+T_{2})/2}$そして、すべて同じ放射率を持つN層の積層体${\displaystyle \epsilon }$両側とも、総括熱伝達係数を持つ

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

どこ${\displaystyle T=(T_{1}+T_{2})/2}$は層の平均温度です。明らかに、層の数を増やし、放射率を下げれば、熱伝達係数は低下し、断熱値が高くなることになります。宇宙空間では、見かけ上の外気温が3  K（宇宙背景放射）になる可能性があるため、正確なU値は異なります。

MLI の層は、熱的に接触しない限り、互いに任意の距離に配置できます。分離空間はごくわずかでよく、これは写真に示されている極薄のスクリムまたはポリエステルの「ブライダルベール」の役割です。重量とブランケットの厚さを減らすために、内部層は非常に薄く作られていますが、熱放射に対して不透明でなければなりません。構造的な強度はあまり必要ないため、これらの内部層は通常、マイラーやカプトンなどの厚さ約6 μm (1/4 mil )の非常に薄いプラスチックで作られ、片面または両面に、通常は銀またはアルミニウムの薄い金属層でコーティングされています。^{[ 4 ]} コンパクトにするために、層は接触しないようにできるだけ近くに配置されます。これは、層間の熱伝導がほとんどまたはまったくない必要があるためです。一般的な断熱ブランケットは 40 層以上あります。^{[ 4 ]} 層はエンボス加工やしわ加工が施され、数点でのみ接触するか、薄い布のメッシュやスクリムで隔てられている場合があり、これは上の写真で見ることができます。外側の層はより丈夫でなければならず、多くの場合、より厚く丈夫なプラスチックで、グラスファイバーなどのより丈夫なスクリム素材で補強されています。 

衛星用途では、MLIは打ち上げ時に空気で満たされます。ロケットが上昇するにつれて、この空気はブランケットを損傷することなく排出されなければなりません。そのためには、層に穴や穿孔が必要になる場合がありますが、その効果は低下します。^{[ 5 ] [ 6 ]}

極低温分野では、MLIは最も効果的な断熱材です。^{[ 7 ]}そのため、液化ガスタンク（LNG、LN2、LH2、_LO2など）、クライオスタット、極低温パイプライン、超伝導デバイスなどで一般的に使用さ_{れています。さらに、}コンパクトで軽量であることも利点です。40層のMLIで構成されたブランケットの厚さは約20 mm（0.79インチ）^{[ 8 ]}、重量は約12 kg/m2 ^（2.5 lb/sq ft）です。^{[ 9 ]}     

製造方法はメーカーによって異なり、MLIブランケットの中には主に縫製技術を用いて作られているものもある。生地を裁断し、重ね合わせ、端を縫い合わせる。

その他のより新しい方法としては、コンピュータ支援設計およびコンピュータ支援製造技術を用いて、超音波溶着により最終的なブランケットの形状の正確な輪郭を「パック」（外側の「スキン」を手作業で追加する前の最終層）に溶着する方法がある。

MLIブランケットからの熱漏れのほとんどは、断熱材の継ぎ目や隙間が原因です。熱性能を向上させるために、フィルム層を縫い合わせる代わりに、ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）タグピン（衣類に値札を付けるために使用されるプラスチック製のフックに似ています）を使用して固定する新しい方法が開発されています。^{[ 6 ]}

宇宙船は、塵の衝突に対する第一の防御策として多層断熱材（MLI）を使用することもあります。これは通常、断熱対象の表面から1cm程度離して配置することを意味します。また、多層断熱材の1層以上を、ベータクロスなどの機械的に強度のある素材に置き換えることも可能です。

ほとんどの用途では、絶縁層に電荷が蓄積してアーク放電が発生し、無線干渉を引き起こすことを防ぐため、絶縁層は接地する必要があります。通常の構造では電気絶縁と熱絶縁の両方が実現されるため、これらの用途では、ブランケットを縫い合わせる箇所に布製の補強材ではなく、アルミニウム製のスペーサーが使用される場合があります。

同様の材料を用いた単層断熱材（SLI）と二層断熱材（DLI）も、宇宙船では一般的に使用されている。

• 液体水素タンク車– 極低温物質を輸送するための鉄道車両で、多層断熱材が施されている。 
• 宇宙船の温度制御– 宇宙船のすべての部分を許容温度範囲内に保つプロセス 

• 「金と同じくらい良い：衛星は金箔で覆われているのか？」国立環境衛星・データ・情報サービス。2016年1月8日。2016年10月24日のオリジナルからアーカイブ。2016年10月24日に取得。
• 衛星熱制御ハンドブック、編：デイビッド・ギルモア。ISBN  1-884989-00-4特に、マーティン・ドナベディアンとデビッド・ギルモアによる第5章「断熱」を参照。
• JPLによる宇宙船の温度制御に関するチュートリアル
• 「カッシーニ探査機、熱シールドを装着」（プレスリリース）。NASA JPL 。1997年1月3日。2007年9月4日のオリジナルからアーカイブ。 2009年1月8日閲覧。
• カッシーニ探査機のMLIのテストに関する典型的な専門記事
• 多層断熱材（MLI）の用途
• 多層断熱材に関するガイドライン - NASA発行の1999年の出版物https://ntrs.nasa.gov/citations/19990047691
• MLIの種類とプロパティ