Чому космічні зонди потребують опалення?

Я знаю, що температура впливає на характеристики напівпровідників та інших матеріалів, але ми знаємо, як і як це можна врахувати. Крім того, низькі температури роблять електроніку більш ефективною, іноді навіть надпровідною.

Я пам’ятаю, як десь читав, що інженери, що будують Curiosity, навіть розглядали електроніку з низькою температурою для двигунів, які керують колесами, але все-таки вирішили проти цього врешті-решт.

Чому, мабуть, важко будувати компоненти з робочою температурою, що відповідає температурі на Марсі, Європі чи в космосі?

Редагувати: Жодна з відповідей поки не стосується мого питання. Я знаю, що всі деталі, і електронні, і механічні, і жири, і так далі, мають відносно вузькі робочі температури. Моє запитання: чому б ми не створили спеціальні холодні метали та холодні мастила та холодну стружку, які мають вузький діапазон робочої температури на рівні -100 C чи що завгодно?

Справжні відповіді можуть бути: це занадто дорого, недостатньо наукових досліджень, щоб визначити матеріали, придатні для такого холоду, такі холодні матеріали не можуть бути виготовлені в набряклі теплі планети Земля.

Тому що в процесі виготовлення електронних компонентів при низьких температурах недостатньо досліджень та розробок. І зонди повинні бути надійними.

Ви не можете виготовляти деталі, тобто 250 ° C, і очікуйте, що вони працюватимуть при -100 ° C, тому що, наприклад, мікросхема має кремнієві деталі, а також вольфрамові частини. Ці дві мають різну температуру порівняно з характеристиками подовження, тому деталі просто розпадуться.

При низьких температурах не можна використовувати олово для пайки, див. Олов'яний шкідник .

Тому що деталі надійно працюють лише в обмеженому діапазоні температур. Якщо температура виходить за межі діапазону, чіпси можуть працювати неправильно або взагалі не працювати.

Зонди зазвичай також мають якусь резервну батарею, і батареї втрачають ємність дуже швидко, якщо вони холодніші за 0 ° C. Просто простіше і ефективніше підтримувати тепло батарею та електроніку, ніж компенсувати різні характеристики.

Я б висунув три основні моменти щодо температурної чутливості електроніки, електронних компонентів та механічних деталей:

• Всі батареї досить чутливі до температури. Швидкість хімічної реакції знижується, а струм витоку збільшується.

• Кремнієві стружки зазвичай не мають проблем з низькими температурами. Що стосується упаковки та субстратів та зв'язків ПХБ. І навіть тут актуальною проблемою є не низька температура, а температурний діапазон. Причиною цього є те, що матеріали мають різні теплові властивості, як теплопровідність та розширення. Упаковані мікросхеми, а також зв'язки з друкованою платою створюватимуть механічне напруження, що збільшує шанси на мікророзриви в електропровідних матеріалах.

• Рухомі механічні деталі, такі як двигуни та шестірні, часто потребують мастильних матеріалів для роботи. Механічні властивості цих мастил дуже чутливі до температури.

Наскільки я знаю, найнижчий рівень, на який ти можеш піти з первинними батареями, - це щось на зразок -50C. Вторинні ще гірші. Тож насправді немає іншого варіанту, крім утеплення та нагрівання. Електроніка, з якою можна працювати при низьких температурах, використовує матеріали ПХБ, які мають схожість з кремнієм, і безпосередньо монтують кремнієві стружки на підкладку без класичної упаковки мікросхем.

Одним з факторів цього, про який не було сказано в інших питаннях, є те, що різні матеріали по-різному змінюють свої обсяги у відповідь на коливання температури. Це поняття, що стоїть за біметалічними смужками в термостатах, чому трубки лопаються при замерзанні та чому ваша їжа потрапляє в «морозильну камеру». Так, хоча напівпровідники можуть бути досить стійкими до холодних температур, механічні деталі з різноманітними матеріалами (різні сплави, різні мастила) будуть менш такими.

Щоб мати механічну частину, яка працює при екстремальній температурі (наприклад, -100 ° C), імовірно, її потрібно було б виготовити при цій температурі, інтегрувати в основний компонент при цій температурі і зберігати холодно, поки вона не досягне місця.

Я хотів би запропонувати , що основною причиною є надійність - коли зонд був запущений в космос, вона ПОВИННА працювати.

Таким чином, набагато безпечніше нагрівати відомий, надійний матеріал, який підлягав більшому випробуванню, ніж "вигадувати" новий матеріал, який не може бути повністю випробуваний на Землі.

З хімії ви дізнаєтесь склад речовини там, де вони подумали вам про властивості певних металів / неметалів. Вони мають певні межі, такі як температура плавлення / температура замерзання.

Температура має значення в електроніці. Коли ви розігнали комп’ютер, для охолодження мікросхеми вам потрібен рідкий азот. Те саме стосується будь-якого іншого пристрою.

Електроніка, яка потрапляє в космос, не лише стикається з цією проблемою, але також повинна бути обережною щодо випромінювань, які можуть пошкодити дані. Таким чином, зазвичай ровери несуть додаткові мікросхеми / акумулятори для резервного копіювання. Дані, які вони там збирають, мають велике значення.