Dlaczego sondy kosmiczne wymagają ogrzewania?

Wiem, że temperatura ma wpływ na charakterystykę półprzewodników i innych materiałów, ale wiemy, jak i możemy to uwzględnić. Ponadto niższe temperatury sprawiają, że elektronika jest bardziej wydajna, a czasem nawet nadprzewodnikowa.

Pamiętam, że czytałem gdzieś, że inżynierowie budujący Ciekawość nawet rozważali niskotemperaturową elektronikę do silników napędzających koła, ale ostatecznie zdecydowali się tego nie robić.

Dlaczego najwyraźniej tak trudno jest budować komponenty o temperaturach pracy odpowiadających temperaturom na Marsie, w Europie lub w kosmosie?

Edycja: Żadna z odpowiedzi jak dotąd nie dotyczy mojego pytania. Wiem, że wszystkie części, zarówno elektroniczne, jak i mechaniczne, oraz smary i tak dalej mają stosunkowo wąskie temperatury robocze. Moje pytanie brzmi: dlaczego nie budujemy specjalnych zimnych metali i zimnych smarów i zimnych wiórów, których wąski zakres temperatur pracy wynosi -100 ° C?

Prawidłowe odpowiedzi mogą być następujące: jest to zbyt kosztowne, nie przeprowadzono wystarczającej nauki, aby określić materiały odpowiednie na takie zimno, takie zimne materiały nie mogą być wytwarzane w upalnym upale planety Ziemia.

Ponieważ nie przeprowadzono wystarczających badań i rozwoju w procesie produkcji elementów elektronicznych w niskich temperaturach. I sondy muszą być niezawodne.

Nie można wytwarzać części w temperaturze 250 ° C i oczekiwać, że będą działać w temperaturze -100 ° C, ponieważ na przykład układ ma części silikonowe, a także wolframowe. Te dwa mają różną charakterystykę temperaturową i rozszerzającą, więc części po prostu rozpadłyby się.

W niskich temperaturach nie można używać cyny do lutowania, patrz szkodniki cyny .

Ponieważ części działają niezawodnie tylko w ograniczonym zakresie temperatur. Jeśli temperatura jest poza zakresem, chipy mogą nie działać poprawnie lub nawet nie działać wcale.

Sondy zwykle mają również pewnego rodzaju baterię podtrzymującą, a baterie bardzo szybko tracą pojemność, jeśli są zimniejsze niż 0 ° C. Po prostu łatwiej i wydajniej jest utrzymać akumulator i elektronikę w cieple niż zrekompensować różne cechy.

Chciałbym przedstawić trzy główne punkty dotyczące wrażliwości na temperaturę elektroniki, komponentów elektronicznych i części mechanicznych:

• Wszystkie akumulatory są dość wrażliwe na temperaturę. Szybkość reakcji chemicznej jest zmniejszona, a prąd upływowy jest zwiększony.

• Chipy krzemowe zwykle nie mają problemu z niskimi temperaturami. Co to jest opakowanie oraz podłoża i wiązania PCB. I nawet tutaj rzeczywistym problemem nie jest niska temperatura, ale zakres temperatur. Powodem tego jest to, że materiały mają różne właściwości termiczne, takie jak przewodność cieplna i rozszerzalność. Zapakowane układy scalone, a także wiązania z PCB generują naprężenia mechaniczne, które zwiększają ryzyko mikropęknięć w materiałach przewodzących.

• Ruchome części mechaniczne, takie jak silniki i przekładnie, często wymagają smarów do pracy. Właściwości mechaniczne tych smarów są bardzo wrażliwe na temperaturę.

O ile mi wiadomo, najniższe, jakie można uzyskać z bateriami podstawowymi, to coś w rodzaju -50C. Wtórne są jeszcze gorsze. Tak naprawdę nie ma innej opcji niż izolacja i ogrzewanie. Elektronika, którą możesz pracować w niskich temperaturach, używając materiałów PCB o podobnej rozszerzalności do krzemu i bezpośrednio montuj chipy krzemowe na podłożu bez klasycznego pakowania chipów.

Jednym z czynników, o którym nie wspomniano w pozostałych pytaniach, jest to, że różne materiały zmieniają swoją objętość na różne sposoby w zależności od wahań temperatury. Taka jest koncepcja bimetalicznych pasków w termostatach, dlaczego rury pękają po zamrożeniu i dlaczego twoje jedzenie zostaje „spalone w zamrażarce”. Tak więc, chociaż półprzewodniki mogą być dość odporne na niskie temperatury, części mechaniczne z różnych materiałów (różne stopy, różne smary) będą mniej takie.

Aby mieć część mechaniczną, która działa w ekstremalnej temperaturze (jak -100 ° C), prawdopodobnie musiałaby być wykonana w tej temperaturze, zintegrowana z głównym komponentem w tej temperaturze i utrzymywana w niskiej temperaturze aż do osiągnięcia przestrzeni.

Sugerowałbym, że kluczowym powodem jest niezawodność - po uruchomieniu sondy w kosmos MUSI działać.

W związku z tym o wiele bezpieczniej jest podgrzać znany, niezawodny materiał, który został poddany szeroko zakrojonym testom, niż „wynaleźć” nowy materiał, którego nie można w pełni przetestować na Ziemi.

W chemii poznasz skład materii, którą myśleli o właściwościach niektórych metali / niemetali. Mają pewne ograniczenia, takie jak temperatura topnienia / krzepnięcia.

Temperatura ma znaczenie w elektronice. Podczas podkręcania komputera potrzebujesz ciekłego azotu do schłodzenia układu. To samo dotyczy każdego innego urządzenia.

Elektronika, która trafia w kosmos, nie tylko boryka się z tym problemem, ale także musi zachować ostrożność w przypadku promieniowania, które może uszkodzić dane. Dlatego zwykle łaziki mają dodatkowe chipy / baterie do tworzenia kopii zapasowych. Gromadzone tam dane mają ogromne znaczenie.