عزل متعدد الطبقات

العزل متعدد الطبقات ( MLI ) هو عزل حراري يتكون من طبقات متعددة من صفائح رقيقة، ويُستخدم بكثرة في المركبات الفضائية وأنظمة التبريد الفائق . يُعرف أيضًا بالعزل الفائق ^{[ 1 ]،} ويُعدّ MLI أحد العناصر الرئيسية في التصميم الحراري للمركبات الفضائية ، ويهدف أساسًا إلى تقليل فقدان الحرارة بالإشعاع الحراري . في شكله الأساسي، لا يُوفر عزلًا فعالًا ضد أنواع أخرى من الفقد الحراري، مثل التوصيل الحراري أو الحمل الحراري . لذلك، يُستخدم عادةً في الأقمار الصناعية وغيرها من التطبيقات في الفراغ ، حيث يكون التوصيل الحراري والحمل الحراري أقل أهمية، بينما يهيمن الإشعاع. يُضفي MLI على العديد من الأقمار الصناعية ومجسات الفضاء الأخرى مظهرًا يُشبه تغطية رقائق الذهب، وهو تأثير طبقة الكابتون ذات اللون الكهرماني المُرسبة فوق طبقة المايلر المُغطاة بالألومنيوم الفضي .

في التطبيقات غير الفضائية، يعمل العزل متعدد الطبقات (MLI) كجزء من نظام عزل فراغي فقط . ^{[ 1 ]} أما في تطبيقات التبريد الفائق، فيمكن تركيب العزل متعدد الطبقات المغلف داخل الفراغ الحلقي للأنابيب ذات الغلاف الفراغي. ^{[ 2 ]} كما يمكن دمج العزل متعدد الطبقات مع عزل فراغي متطور للاستخدام في التطبيقات ذات درجات الحرارة العالية. ^{[ 3 ]}

يعتمد مبدأ العزل متعدد الطبقات على توازن الإشعاع. على سبيل المثال، تخيل سطحًا مساحته متر مربع في الفضاء الخارجي، عند درجة حرارة ثابتة تبلغ 300 كلفن (27 درجة مئوية؛ 80 درجة فهرنهايت) ، ومعامل انبعاثية يساوي 1، وموجهًا بعيدًا عن الشمس أو مصادر الحرارة الأخرى. وفقًا لقانون ستيفان-بولتزمان ، سيشع هذا السطح حوالي 460 واط. الآن، تخيل وضع طبقة رقيقة (لكنها معتمة) على بُعد 1 سم (0.4 بوصة) من اللوح، بمعامل انبعاثية يساوي 1 أيضًا. ستبرد هذه الطبقة الجديدة حتى تشع 230 واط من كل جانب، وعندها يتوازن صافي تدفقات الحرارة. تتلقى الطبقة الجديدة 460 واط من اللوح الأصلي. كما تشع هذه الطبقة 460 واط إجمالًا؛ نصفها يُشع عائدًا إلى اللوح الأصلي، والنصف الآخر إلى الفضاء. لا يزال السطح الأصلي يشع 460 واط، ولكنه يستعيد 230 واط من الطبقة الجديدة، مما يؤدي إلى خسارة صافية قدرها 230 واط. وبشكل عام، يتم تقليل خسائر الإشعاع من السطح إلى النصف بإضافة الطبقة الإضافية.            

يمكن إضافة طبقات أخرى لتقليل الفقد بشكل أكبر. ويمكن تحسين الغطاء الحراري بجعل أسطحه الخارجية عاكسة للإشعاع الحراري بدرجة عالية ، مما يقلل من كلٍّ من الامتصاص والانبعاث. ويمكن قياس أداء طبقات الغطاء من خلال معامل انتقال الحرارة الكلي U ، الذي يحدد معدل تدفق الحرارة الإشعاعية Q بين سطحين متوازيين بينهما فرق في درجة الحرارة.${\displaystyle \Delta T}$والمنطقة أ كـ

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

نظرياً، معامل انتقال الحرارة بين طبقتين لهما انبعاثيات${\displaystyle \epsilon _{1}}$و${\displaystyle \epsilon _{2}}$، عند درجات الحرارة المطلقة${\displaystyle T_{1}}$و${\displaystyle T_{2}}$تحت الفراغ، هو

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

أين${\displaystyle \sigma =5.67\times 10^{-8}}$Wm ⁻² K ⁻⁴ هو ثابت ستيفان-بولتزمان . إذا لم يكن فرق درجة الحرارة كبيرًا جدًا (${\displaystyle |\Delta T|<<(T_{1}+T_{2})/2}$ثم مجموعة من N طبقة، جميعها بنفس الانبعاثية${\displaystyle \epsilon }$سيكون لكلا الجانبين معامل انتقال حرارة إجمالي

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

أين${\displaystyle T=(T_{1}+T_{2})/2}$تمثل متوسط ​​درجة حرارة الطبقات. من الواضح أن زيادة عدد الطبقات وتقليل الانبعاثية يؤديان إلى خفض معامل انتقال الحرارة، وهو ما يعادل قيمة عزل أعلى. في الفضاء، حيث قد تصل درجة الحرارة الخارجية الظاهرية إلى 3  كلفن ( إشعاع الخلفية الكونية )، تختلف قيمة U الدقيقة .

يمكن وضع طبقات العازل متعدد الطبقات (MLI) على مسافات متقاربة قدر الإمكان، شريطة ألا تتلامس حراريًا . يكفي أن تكون المسافة الفاصلة ضئيلة للغاية، وهو ما توفره طبقة رقيقة جدًا من القماش الشبكي أو البوليستر، كما هو موضح في الصورة. ولتقليل الوزن وسماكة العازل، تُصنع الطبقات الداخلية رقيقة جدًا، ولكن يجب أن تكون معتمة للإشعاع الحراري. ولأنها لا تحتاج إلى قوة هيكلية كبيرة، تُصنع هذه الطبقات الداخلية عادةً من بلاستيك رقيق جدًا، بسماكة 6 ميكرومتر ( ربع ميل ) ، مثل المايلر أو الكابتون ، ومطلية من جانب واحد أو كلا الجانبين بطبقة رقيقة من المعدن، عادةً الفضة أو الألومنيوم . ^{[ 4 ]} ولتحقيق التماسك، تُوضع الطبقات متقاربة قدر الإمكان، دون أن تتلامس، نظرًا لقلة أو انعدام التوصيل الحراري بينها. يحتوي العازل النموذجي على 40 طبقة أو أكثر. ^{[ 4 ]} قد تكون الطبقات منقوشة أو مجعدة، بحيث تتلامس فقط في نقاط قليلة، أو مفصولة بشبكة قماشية رقيقة، أو ما يُعرف بالنسيج الشبكي ، كما هو موضح في الصورة أعلاه. يجب أن تكون الطبقات الخارجية أقوى، وغالبًا ما تكون مصنوعة من بلاستيك أكثر سمكًا ومتانة، ومعززة بمادة نسيج شبكي أقوى مثل الألياف الزجاجية . 

في تطبيقات الأقمار الصناعية، يكون الغلاف متعدد الطبقات مملوءًا بالهواء عند الإطلاق. ومع صعود الصاروخ، يجب أن يكون هذا الهواء قادرًا على التسرب دون إتلاف الغلاف. قد يتطلب ذلك وجود ثقوب أو شقوق في الطبقات، ^{[ 5 ]} على الرغم من أن ذلك يقلل من فعاليتها. ^{[ 6 ]}

في مجال التبريد الفائق، يُعدّ العازل متعدد الطبقات (MLI) أكثر أنواع العزل فعالية. ^{[ 7 ]} ولذلك، يُستخدم على نطاق واسع في خزانات الغازات المسالة (مثل الغاز الطبيعي المسال ، والنيتروجين _السائل ، والهيدروجين السائل _، والأكسجين السائل ₎ ، وأجهزة التبريد الفائق ، وخطوط أنابيب التبريد الفائق، والأجهزة فائقة التوصيل . كما يُقدّر لصغر حجمه وخفة وزنه. يبلغ سمك غطاء مكون من 40 طبقة من العازل متعدد الطبقات حوالي 20 مم (0.79 بوصة) ^{[ 8 ]} ، ووزنه حوالي 12 كجم/م² ⁽ 2.5 رطل/ قدم مربع) . ^{[ 9 ]}     

تختلف طرق التصنيع بين الشركات المصنعة، حيث تُصنع بعض بطانيات MLI بشكل أساسي باستخدام تقنية الخياطة. تُقص الطبقات، وتُكدس فوق بعضها البعض، ثم تُخاط معًا عند الحواف.

وتشمل الطرق الأخرى الأحدث استخدام التصميم بمساعدة الكمبيوتر وتكنولوجيا التصنيع بمساعدة الكمبيوتر للحام مخطط دقيق لشكل البطانية النهائي باستخدام اللحام بالموجات فوق الصوتية على "حزمة" (المجموعة الأخيرة من الطبقات قبل إضافة "الجلد" الخارجي يدويًا).

تُعدّ الوصلات والفجوات في العازل مسؤولة عن معظم تسرب الحرارة عبر بطانيات العزل متعدد الطبقات. ويجري تطوير طريقة جديدة لاستخدام دبابيس تثبيت مصنوعة من مادة البولي إيثر إيثر كيتون (PEEK) (شبيهة بالخطافات البلاستيكية المستخدمة لربط بطاقات الأسعار بالملابس) لتثبيت طبقات الفيلم في مكانها بدلاً من الخياطة، وذلك لتحسين الأداء الحراري. ^{[ 6 ]}

قد تستخدم المركبات الفضائية أيضًا طبقة عازلة متعددة الطبقات كخط دفاع أول ضد تأثيرات الغبار. وهذا يعني عادةً وضعها على بُعد سنتيمتر تقريبًا من السطح الذي تعزله. كما يمكن استبدال طبقة أو أكثر من هذه الطبقات بمادة قوية ميكانيكيًا، مثل قماش بيتا .

في معظم التطبيقات، يجب تأريض طبقات العزل لمنع تراكم الشحنات الكهربائية وحدوث شرارة كهربائية، مما قد يتسبب في تداخل لاسلكي. ولأن التصميم المعتاد يوفر عزلاً كهربائياً وحرارياً، فقد تتضمن هذه التطبيقات فواصل من الألومنيوم بدلاً من القماش الشبكي عند نقاط خياطة البطانيات معاً.

باستخدام مواد مماثلة، فإن العزل أحادي الطبقة والعزل ثنائي الطبقة (SLI و DLI على التوالي) شائعان أيضًا في المركبات الفضائية.

• عربة صهريج الهيدروجين السائل – مركبة سكك حديدية لنقل المواد المبردة ، والتي يتم تطبيق نوع من العزل متعدد الطبقات عليها 
• التحكم الحراري للمركبة الفضائية – عملية الحفاظ على جميع أجزاء المركبة الفضائية ضمن نطاقات درجات الحرارة المقبولة 

• "جيد كالذهب: هل الأقمار الصناعية مغطاة برقائق الذهب؟" . الخدمة الوطنية للأقمار الصناعية البيئية والبيانات والمعلومات . 8 يناير 2016. مؤرشف من الأصل في 24 أكتوبر 2016. تم الاطلاع عليه في 24 أكتوبر 2016 .
• دليل التحكم الحراري للأقمار الصناعية ، تحرير ديفيد جيلمور. رقم ISBN 1-884989-00-4وعلى وجه الخصوص، الفصل الخامس، العزل ، بقلم مارتن دونابيديان وديفيد جيلمور.
• شرحٌ لكيفية التحكم بدرجة حرارة المركبات الفضائية من مختبر الدفع النفاث (JPL).
• "كاسيني يرتدي عباءته الحرارية" (بيان صحفي). مختبر الدفع النفاث التابع لناسا . 3 يناير 1997. مؤرشف من الأصل في 4 سبتمبر 2007. تم الاطلاع عليه في 8 يناير 2009 .
• مقال متخصص نموذجي حول اختبارات نظام MLI الخاص بمسبار كاسيني
• تطبيقات العزل متعدد الطبقات (MLI)
• إرشادات مواد العزل متعددة الطبقات - منشور ناسا لعام 1999 https://ntrs.nasa.gov/citations/19990047691
• أنواع وخصائص MLI