Почему космические зонды нуждаются в нагреве

Я знаю, что температура влияет на характеристики полупроводников и других материалов, но мы знаем, как и можем это учитывать. Кроме того, более низкие температуры делают электронику более эффективной, иногда даже сверхпроводящей.

Я помню, как читал где-то, что инженеры, строящие Curiosity, даже рассматривали низкотемпературную электронику для двигателей, приводящих в движение колеса, но все же в конце концов решили отказаться от нее.

Почему, по-видимому, так сложно создавать компоненты с рабочими температурами, соответствующими температурам на Марсе, Европе или в космосе?

Редактировать: ни один из ответов не отвечает на мой вопрос до сих пор. Я знаю, что все детали, как электронные, так и механические, а также смазки и т. Д. Имеют относительно узкие рабочие температуры. Мой вопрос: почему бы нам не создавать специальные холодные металлы, холодные смазки и холодную стружку, которые имеют узкий диапазон рабочих температур при -100 ° С или что-то еще?

Правильные ответы могут быть такими: это слишком дорого, недостаточно научных данных для определения материалов, подходящих для такого холода, такие холодные материалы не могут быть изготовлены в знойной жаре планеты Земля.

Потому что недостаточно исследований и разработок, выполненных в процессе производства электронных компонентов при низких температурах. И зонды должны быть надежными.

Вы не можете изготавливать детали, например, при 250 ° С, и ожидать, что они будут работать при -100 ° С, потому что, например, микросхема имеет кремниевые детали, а также вольфрамовые детали. Эти два имеют различные характеристики температуры в зависимости от удлинения, поэтому детали просто распадаются.

При низких температурах нельзя использовать олово для пайки, см. Оловянный вредитель .

Потому что детали надежно работают только в ограниченном диапазоне температур. Если температура выходит за пределы диапазона, микросхемы могут работать некорректно или вообще не работать.

Зонды обычно также имеют какую-то резервную батарею, и батареи очень быстро разряжаются, если температура становится ниже 0 ° C. Просто проще и эффективнее держать батарею и электронику в тепле, чем компенсировать различные характеристики.

Я бы выдвинул три основных пункта для температурной чувствительности электроники, электронных компонентов и механических частей:

• Все батареи достаточно чувствительны к температуре. Скорость химической реакции снижается, а ток утечки увеличивается.

• Кремниевые чипсы обычно не имеют проблем с низкими температурами. Что делает упаковку и подложки печатной платы и склеивает. И даже здесь актуальной проблемой является не низкая температура, а температурный диапазон. Причина этого заключается в том, что материалы имеют разные термические свойства, такие как теплопроводность и расширение. Упакованные чипы, а также соединения с печатной платой будут создавать механическое напряжение, которое увеличивает вероятность микротрещин в проводящих материалах.

• Движущимся механическим частям, таким как двигатели и шестерни, часто требуются смазочные материалы для работы. Механические свойства этих смазок очень чувствительны к температуре.

Насколько я знаю, самое низкое, что вы можете использовать с первичными батареями, это что-то вроде -50С. Вторичные еще хуже. Так что на самом деле нет другого выбора, кроме как утеплить и обогреть. Электроника, которую вы можете выполнять при низких температурах, используя материалы для печатных плат, которые имеют расширение, аналогичное кремнию, и непосредственно монтирует кремниевые чипы на подложку без классической упаковки чипов.

Одним из факторов в этом, который не был упомянут в других вопросах, является то, что различные материалы изменяют свои объемы по-разному в ответ на колебания температуры. Это концепция биметаллических полосок в термостатах, почему трубы трескаются при замерзании и почему ваша еда «сгорает в морозильной камере». Таким образом, хотя полупроводники могут быть достаточно устойчивы к низким температурам, механические детали с различными материалами (разные сплавы, разные смазочные материалы) будут меньше.

Чтобы иметь механическую деталь, которая работает при экстремальной температуре (например, -100 ° С), предположительно ее необходимо изготовить при этой температуре, интегрировать в основной компонент при этой температуре и хранить в холодном состоянии, пока она не достигнет пространства.

Я бы предположил, что ключевой причиной является надежность - как только зонд запущен в космос, он ДОЛЖЕН работать.

Таким образом, гораздо безопаснее нагревать известный, надежный материал, который подвергся обширным испытаниям, чем «изобретать» новый материал, который нельзя полностью испытать на Земле.

В химии вы узнаете состав вещества, там они думали о свойствах определенных металлов / неметаллов. Они имеют определенные ограничения, такие как температура плавления / замерзания.

Температура имеет значение в электронике. Когда вы разгоняете свой компьютер, вам нужен жидкий азот для охлаждения вашего чипа. То же самое верно для любого другого устройства.

Электроника, которая отправляется в космос, не только сталкивается с этой проблемой, но и должна быть осторожна с излучениями, которые могут повредить данные. Таким образом, обычно роверы несут дополнительные чипы / батареи для резервного копирования. Данные, которые они там собирают, имеют большое значение.