衛星如何對抗太空的極端溫度？多層隔熱材料
從一些人造衛星的組裝照片可以看到機身上常貼著一層金箔般、有許多皺紋的薄膜。精密儀器通常需要在潔淨度高的環境中組裝，以防止落塵影響設備系統。所以有人認為包裹金色薄膜的目的，興許是為了防塵使用。然而，這層金色薄膜看似一戳即破，事實上其結構更像一件「毯子」。它具有很高的熱阻，目的是為了隔熱，既可防止熱能過度散失，又能抵擋過多的熱能進入內部，讓衛星的電路、儲存、運算、電池、相機，以及感測器等裝置，能維持在足以運作的溫度區間內。除此之外，還能屏蔽紫外線、高能射線、帶電粒子或太空碎片的襲擊。幾乎所有人造衛星、太空望遠鏡與深空探測器，都需要它來抵抗太空的惡劣環境。
撰文｜穿山甲
從書裡的人造衛星或太空探測器示意圖中，通常可以明顯地分辨出機身、酬載相機、天線、太陽能板與姿態控制器等各式零件。然而對照實際照片會發現衛星機身上，總是包裹著一層皺巴巴的金色薄膜，看起來像極了廚房用的鋁箔紙，只不過呈現金色。許多人以為那只是防塵保護膜，興許上了太空後，就會將它脫掉。事實上，這層不起眼的薄膜，卻是衛星能否在太空中正常運作的重要關鍵。它的名稱叫做「多層隔熱材料」（Multi-layer Insulation, MLI），幾乎所有人造衛星、太空望遠鏡與深空探測器都離不開它。
太空的嚴苛環境
提到太空，多數人腦海中浮現的往往是「寒冷」的印象。畢竟宇宙空間的平均溫度大約只有2.7 K (‐270.42°C)，聽起來像是一個足以瞬間凍結萬物的世界。然而，對衛星而言，最大的問題往往不是太冷，而是太熱與劇烈的溫度變化。在地球上，如果夏天太熱或冬天太冷，你可以開冷暖空調維持室內溫度，電腦設備也可以透過風扇散熱。但太空幾乎是真空狀態，缺乏空氣與流體，也無法與其他物體接觸，因此幾乎不存在熱對流或熱傳導。這意味著，在太空中，熱量多由熱輻射方式向外釋放或吸收熱量。衛星會接收到太陽熱輻射、地球紅外線熱輻射，以及太陽光照射地球再反射至衛星的輻射，衛星亦會向外放出輻射。雖然直接太陽熱輻射是多數衛星類型的最大的熱源，但分析時仍需將所有輻射因素考慮進去。
當衛星直接被太陽照射時，表面溫度可能會超過150°C以上；進入地球背面的陰影區域時，溫度又可能迅速降至‐100°C以下。許多低軌道衛星每九十幾分鐘就會繞地球一周，它們會不斷經歷高溫曝曬與低溫冷卻的循環。這種反覆的極端溫差，對精密設備而言是一種嚴苛考驗。在內部方面，衛星服務隨著高功率、高頻寬與高速運算的需求增長，這種電子設備發出的熱每幾年就會翻倍。內憂外患下衛星系統的高效熱管理尤為重要。理想情況下，設備性能運作溫度會控制在‐23°C至40°C以內。
此外，處於太空中的衛星，受地球磁場的保護程度大減，會直接面臨到各種高能宇宙射線照射，致使內部電子元件受損。在衛星軌道上還充斥著許多廢棄火箭及其零件、故障衛星、太空任務遺留的工具等太空垃圾，當然免不了有些小隕石和宇宙塵埃等天然物質，即便物體只有幾公分大小，與速度高達每秒幾公里的衛星相遇，仍然會造成衛星零件損傷。
幫衛星穿上防護衣
為了對抗太空的極端溫度，熱控制可透過主動、被動或混合方式實現。其中被動方式更受歡迎，因為較容易維護，故障率也更低。MLI是一種被動式熱控制法，雖然外觀看起來像金箔紙，但它其實更像一張毯子，不是只有單一薄膜，而是由多層結構組成。常見的多層材料包括聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚醯亞胺(Kapton)或聚四氟乙烯(Teflon)薄膜。PET價格較為低廉，不過長時間在紫外線照射下會分解，通常在內層使用；Kapton是一種金色塑膠，顏色會隨著厚度增加而變深，比PET略重，但更耐用堅固且耐高溫，常使用於外層；Teflon比PET與Kapton更昂貴，但它在紫外線和帶電粒子照射下穩定性最佳，常使用於外層。這些薄膜的單層厚度約介於6至50 μm不等，為減輕重量內層一般較薄，外層則稍厚以提供保護。
為了增加熱輻射的反射效果，薄膜的單面或雙面會鍍上鋁、金或銀等金屬薄層。透過多層薄膜的疊加，還可以讓熱輻射歷經多次反射，形成更高的熱阻，從而實現隔熱或保溫效果。根據應用類型，MLI層數大約在5至30層左右。為了減少整體厚度，各層必須盡量靠近，但又不能直接貼合。直接貼合會導致熱能經由熱傳導方式層層轉移，使隔熱效果大打折扣，因而需要減少各層間接觸。常以製造皺摺或於層間加入低熱傳導的網狀編織物或塑膠纖維實現，間隔層通常厚約12.5 μm左右。多層結構的外層會使用高強度的塑膠材料作為支撐，常以較厚的Teflon或玻璃纖維複合材料製成。排列好的多層結構會以縫紉或超音波焊接方式將其固定，其中接縫與縫隙常是造成熱能散逸的主要原因，所以多層結構的固定非常重要。
在MLI的系統設計上，薄膜的輻射吸收率和發射率是兩個關鍵因素。因此，薄膜的選用與厚度、金屬的種類與厚度，以及各種薄膜的堆疊方式與間隔層的設計，都會影響到最終成品的適用範圍與應用類型。此外，由於MLI在地球表面製作，裡面會充滿空氣，隨著衛星升上太空，裡面的空氣會散逸出來毀損膜層，所以常需要在膜層上開孔，但開孔又會削弱防護性能。MLI在太空環境下，亦會隨著時間推移逐漸劣化，導致部分剝落，增加產生太空碎片風險。因此，為了確保使用時的可靠性，並確認其性能與耐用程度，MLI的成品會放入有紫外線和熱循環的真空腔體中，進行長時間測試。製作完成的MLI不僅可以抵擋太陽光的熱輻射與劇烈的溫度變化，還能屏蔽紫外線、高能射線、帶電粒子，並抵擋高活性原子氧的侵襲。在減緩太空碎片的衝擊方面，MLI雖然並非機械性能優異的防護材料，但還是能滿足最低的防護要求。
近年來人工智慧快速發展，算力需求暴增，各地資料中心快速建置下，相關問題也逐漸浮現。大型資料中心不只耗電形成電網壓力，也會耗費大量水資源。若能將資料中心建置在太空，則可以直接取用無盡的太陽能，完全不需依賴地球電網，也避開了高昂的電力輸送成本。在背陽面設備可透過真空輻射散熱，達成極低成本的冷卻。Google、輝達與SpaceX等科技巨頭皆已積極展開太空資料中心的布局計劃。然而資料中心裡的儲存裝置、運算晶片，及其它運作系統，仍然需要高效的熱管理與多層隔熱材料的保護，以對抗太空的惡劣環境，其需求在未來只會多不會少。那些像金箔般的皺褶外衣，並不是奇怪的裝飾，而是能讓人類科技征服宇宙的重要防線。
參考文獻
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