Multilayer Insulation

MLI-Folie mit Spacern

Multilayer Insulation (MLI), auch Superisolation genannt, ist ein Wärmedämmmaterial (engl. insulation), das ursprünglich für die Raumfahrt entwickelt wurde, heute jedoch auch für die Isolation von Kryostaten, supraleitenden Magneten und Leitungen für kryogene Flüssigkeiten oder Gase verwendet wird. Es besteht aus wenigen bis mehreren Dutzend Lagen (engl. multilayer) metallbedampfter Kunststofffolien, die durch eine geeignete Perforation oder Gaze (Spacer) auf Abstand gehalten werden. MLI-Folien behindern den Wärmetransport durch Wärmestrahlung. Während im Weltraum aufgrund des Vakuums kein Wärmetransport durch Konvektion und Gaswärmeleitung stattfinden kann, wird bei der irdischen Anwendung die MLI nur in Verbindung mit einem Isolationsvakuum angewendet

Prinzip

Ein warmer Körper gibt Wärme in Form von Wärmestrahlung an eine kältere Umgebung ab. Eine zusätzliche undurchlässige Schicht als Hindernis verringert den Wärmetransport durch Strahlung nach dem Stefan-Boltzmann-Gesetz. Dabei wärmt sie sich auf, bis im thermischen Gleichgewicht die Hälfte der Strahlung zum Körper zurückgestrahlt wird. Die andere Hälfte gibt er an die Umgebung ab. Bei n Schichten reduziert sich der Strahlungsverlust im Idealfall (ebene Geometrie und gleicher Emissionsgrad) um den Faktor $ {\frac {1}{n+1}} $.

Bei spiegelnden Schichten bekommt man zusätzlich eine Reduktion durch den geringen Emissionsgrad. Der Faktor kommt nur einmal dazu, nicht etwa potenziert mit der Zahl der Schichten.

Ausführung

Im einfachsten Fall besteht eine MLI aus metallbedampften Kunststofffolien. Meist wird eine Polyesterfolie, für höhere Temperaturen eine Polyimidfolie verwendet. Die Einzellagen ähneln einer Rettungsdecke. Die Metallisierung besteht aus Aluminium oder Silber, das bei einer Dicke von wenigen Atomlagen eine goldene Farbe annimmt. Bei kritischen Anwendungen greift man auf Gold zurück, das im Infraroten einen Reflexionsgrad von mehr als 99 % aufweist.

Die Metallschicht fungiert als Spiegel, die Kunststoffschicht als mechanischer Träger. Die Wärmedämmung zwischen den Spiegelschichten verbessert sich deutlich, wenn man die Folien auf Abstand hält. Ein grobmaschiges Netz aus Seide oder Kunststoff zwischen den Folien reduziert die Wärmebrücken auf die wenigen Verbindungsstege. Bei einer Doppelschicht erreicht man für ε^* Werte von 0,1 bis 0,05. Zehn Schichten senken sie auf 0,01. Auch bei mehr als 30 Schichten liegt die untere Grenze in der Praxis um 0,003.^[1]

Einsatzgebiet

Raumsonde MRO, eingewickelt in goldglänzender MLI-Folie.

Ohne besondere Maßnahmen sind Raumflugkörper großen Temperaturgefällen ausgesetzt. Es fehlt die Atmosphäre, die durch Konvektion einen Temperaturausgleich herbeiführen könnte. Die Wärmeleitung beschränkt sich auf Körper, die fest miteinander verbunden sind. Im Vakuum des Weltraums wird Wärme fast ausschließlich über Strahlung übertragen.

Da elektronische Geräte eine Einsatztemperatur um 20 °C benötigen, wickelt man Raumflugkörper häufig in MLI-Folie ein. Sie schützt den Raumflugkörper durch Rückstrahlung vor Auskühlung und unterstützt die gleichmäßige Wärmeverteilung. Im gleichen Maße schützt sie vor einem Aufheizen durch Strahlung von außen.

Ein weiteres Einsatzgebiet ist die Kryotechnik, beispielsweise die Isolation von Kryostaten.

Einzelnachweise