Perché le sonde spaziali devono essere riscaldate?

So che la temperatura influenza le caratteristiche dei semiconduttori e di altri materiali, ma sappiamo come e possiamo tenerne conto. Inoltre, temperature più basse rendono l'elettronica più efficiente, a volte anche superconduttiva.

Ricordo di aver letto da qualche parte che gli ingegneri che costruivano Curiosity consideravano persino l'elettronica a bassa temperatura per i motori che guidavano le ruote, ma alla fine decisero ancora di non farlo.

Perché, a quanto pare, è così difficile costruire componenti con temperature operative corrispondenti a quelle su Marte, Europa o nello spazio?

Modifica: Nessuna delle risposte risponde alla mia domanda finora. So che tutte le parti, sia elettroniche che meccaniche, e grassi e così via hanno temperature di lavoro relativamente strette. La mia domanda è: perché non costruiamo metalli freddi speciali, grassi freddi e trucioli freddi che hanno una banda di temperatura operativa ridotta a -100 C o altro?

Le risposte valide potrebbero essere: è troppo costoso, è stata fatta una scienza insufficiente per determinare i materiali appropriati per tale freddo, tali materiali freddi non possono essere fabbricati nel caldo soffocante del pianeta Terra.

Perché non c'è abbastanza ricerca e sviluppo nel processo di fabbricazione di componenti elettronici a basse temperature. E le sonde devono essere affidabili.

Non è possibile realizzare parti in 250 ° C e aspettarsi che funzionino in -100 ° C perché ad esempio un chip ha parti in silicone e parti in tungsteno. Questi due hanno temperature diverse rispetto alle caratteristiche di estensione, quindi le parti semplicemente cadranno a pezzi.

A basse temperature non è possibile utilizzare la latta per la saldatura, vedere i parassiti della latta .

Perché le parti funzionano in modo affidabile solo in un intervallo limitato di temperature. Se la temperatura non rientra nell'intervallo, i chip potrebbero non funzionare correttamente o addirittura non funzionare affatto.

Le sonde di solito hanno anche una sorta di batteria di backup e le batterie perdono capacità molto velocemente se diventano più fredde di 0 ° C. È semplicemente più semplice ed efficiente mantenere al caldo la batteria e l'elettronica piuttosto che compensare caratteristiche diverse.

Vorrei proporre tre punti principali per la sensibilità alla temperatura di elettronica, componenti elettronici e parti meccaniche:

• Tutte le batterie sono abbastanza sensibili quando si tratta di temperatura. Le velocità di reazione chimica sono ridotte e la corrente di dispersione è aumentata.

• I chip di silicio di solito non hanno problemi con le basse temperature. Ciò che fa è l'imballaggio, i substrati e i legami del PCB. E anche qui il vero problema non è la bassa temperatura, ma l'intervallo di temperatura. La ragione di ciò è che i materiali hanno proprietà termiche diverse, come conduttività termica ed espansione. I chip confezionati e i legami con il PCB genereranno stress meccanici che aumentano le possibilità di microfratture nei materiali conduttivi.

• Lo spostamento di parti meccaniche come motori e ingranaggi richiede spesso lubrificanti per funzionare. Le proprietà meccaniche di questi lubrificanti sono molto sensibili alla temperatura.

Per quanto ne so, il minimo che puoi fare con le batterie primarie è qualcosa come -50C. I secondari sono anche peggio. Quindi non c'è davvero altra opzione che isolare e riscaldare. L'elettronica è possibile lavorare a basse temperature, utilizzando materiali PCB che hanno un'espansione simile al silicio e si montano direttamente i chip di silicio sul substrato senza il classico packaging dei chip.

Un fattore in questo che non è stato menzionato nelle altre domande è che materiali diversi cambiano i loro volumi in modi diversi in risposta alle fluttuazioni di temperatura. Questo è il concetto dietro le strisce bimetalliche nei termostati, perché i tubi scoppiano quando vengono congelati e perché il tuo cibo viene "bruciato dal congelatore". Quindi, sebbene i semiconduttori possano essere abbastanza resistenti alle basse temperature, le parti meccaniche con una varietà di materiali (leghe diverse, lubrificanti diversi) lo saranno meno.

Per avere una parte meccanica che lavora a una temperatura estrema (come -100 ° C), presumibilmente dovrebbe essere fabbricato a quella temperatura, integrato nel componente principale a quella temperatura e mantenuto freddo fino a raggiungere lo spazio.

Vorrei suggerire che la ragione principale è l'affidabilità: una volta che una sonda è stata lanciata nello spazio, DEVE funzionare.

In quanto tale, è molto più sicuro riscaldare un materiale noto, affidabile, che è stato sottoposto a test approfonditi, piuttosto che "inventare" un nuovo materiale che non può essere completamente testato sulla Terra.

In chimica, imparerai la composizione della materia lì che ti hanno pensato sulle proprietà di alcuni metalli / non metalli. Hanno determinati limiti, come punto di fusione / punto di congelamento.

La temperatura conta nell'elettronica. Quando si overclocca il computer, è necessario azoto liquido per raffreddare il chip. Lo stesso vale per qualsiasi altro dispositivo.

L'elettronica che va nello spazio non solo affronta questo problema, ma deve anche essere cauta sulle radiazioni che possono corrompere i dati. Pertanto, generalmente i rover trasportano chip / batterie aggiuntivi per il backup. I dati che raccolgono lì sono di grande importanza.