Los materiales de carbono de celda abierta altamente porosos tienen un gran potencial para su uso como aislamiento térmico a alta temperatura para vehículos espaciales debido a una combinación única de propiedades: baja densidad, alta rigidez, suficiente resistencia a la compresión y baja conductividad térmica. Las propiedades físicas de estos materiales dependen esencialmente de su microestructura. Esto implica la posibilidad de construir una nueva técnica avanzada para el diseño óptimo de sistemas de protección térmica multicapa para vehículos aeroespaciales, teniendo en cuenta la dependencia de las propiedades térmicas de los materiales en la microestructura. La formulación del problema de optimización tradicional en el diseño térmico implica la determinación de los grosores de las capas que proporcionan una masa específica mínima de la protección térmica, sujeto a las restricciones especificadas sobre las temperaturas máximas en las capas. La novedad de este trabajo radica en que, junto con el grosor de las capas, los parámetros de diseño incluyen el diámetro de la celda y la porosidad, que caracterizan la estructura de los materiales celulares altamente porosos. La parte innovadora del artículo presentado radica en la determinación del diámetro de la celda y la porosidad de la espuma de carbono de celda abierta junto con el grosor de las capas para el aislamiento térmico multicapa, asegurando la temperatura operativa requerida en los límites de las capas y un mínimo de la masa total del sistema. Este artículo revela nuevas posibilidades para utilizar el método de optimización numérica para determinar los parámetros geométricos del sistema de protección térmica y la morfología de los materiales utilizados. Se propone una nueva metodología para diseñar estructuras sometidas a carga térmica basada en la selección simultánea de parámetros macro y micro del sistema. Se esbozan los principios básicos para construir un algoritmo para diseñar un sistema de protección térmica multicapa, teniendo en cuenta la posibilidad de elegir los parámetros de la estructura de los materiales altamente porosos. La fiabilidad del método de optimización desarrollado se verificó comparando los resultados de la modelización matemática con datos experimentales obtenidos para materiales celulares altamente porosos con parámetros de microestructura conocidos.