¿Por qué las sondas espaciales necesitan calefacción?

Sé que la temperatura influye en las características de los semiconductores y otros materiales, pero sabemos cómo y podemos tenerlo en cuenta. Además, las temperaturas más bajas hacen que la electrónica sea más eficiente, a veces incluso superconductora.

Recuerdo haber leído en alguna parte que los ingenieros que construían Curiosity incluso consideraron la electrónica de baja temperatura para los motores que manejaban las ruedas, pero al final decidieron no hacerlo.

¿Por qué, aparentemente, es tan difícil construir componentes con temperaturas de operación que coincidan con las de Marte, Europa o en el espacio?

Editar: Ninguna de las respuestas aborda mi pregunta hasta ahora. Sé que todas las piezas, tanto electrónicas como mecánicas, y grasas, etc. tienen temperaturas de trabajo relativamente estrechas. Mi pregunta es, ¿por qué no construimos metales fríos especiales, grasas frías y astillas frías que tienen su banda de temperatura de funcionamiento estrecha a -100 C o lo que sea?

Las respuestas válidas podrían ser: es demasiado costoso, no se ha hecho suficiente ciencia para determinar los materiales apropiados para tal frío, tales materiales fríos no pueden fabricarse en el calor sofocante del planeta Tierra.

Porque no hay suficiente investigación y desarrollo en el proceso de fabricación de componentes electrónicos a bajas temperaturas. Y las sondas deben ser confiables.

No puede hacer partes en, por ejemplo, 250 ° C y esperar que funcionen en -100 ° C porque, por ejemplo, un chip tiene partes de silicio y partes de tungsteno. Estos dos tienen diferentes características de temperatura versus extensión, por lo que las partes simplemente se desmoronarían.

En bajas temperaturas no se puede usar estaño para soldar, ver plagas de estaño .

Porque las piezas funcionan de manera confiable solo en un rango limitado de temperaturas. Si la temperatura está fuera del rango, los chips pueden no funcionar correctamente o incluso no funcionar en absoluto.

Las sondas generalmente también tienen algún tipo de batería de respaldo y las baterías pierden capacidad realmente rápido si se enfrían más de 0 ° C. Simplemente es más fácil y más eficiente mantener la batería y los componentes electrónicos calientes que compensar las diferentes características.

Propondría tres puntos principales para la sensibilidad a la temperatura de la electrónica, los componentes electrónicos y las piezas mecánicas:

• Todas las baterías son bastante sensibles cuando se trata de temperatura. Las velocidades de reacción química se reducen y la corriente de fuga aumenta.

• Los chips de silicio generalmente no tienen problemas con las bajas temperaturas. Lo que hace es el embalaje y los sustratos y enlaces de PCB. E incluso aquí el problema real no es la baja temperatura, sino el rango de temperatura. La razón de esto es que los materiales tienen diferentes propiedades térmicas, como la conductividad térmica y la expansión. Los chips empaquetados, así como los enlaces con la PCB, generarán un estrés mecánico que aumenta las posibilidades de microfracturas en los materiales conductores.

• Las piezas mecánicas móviles como motores y engranajes a menudo necesitan lubricantes para funcionar. Las propiedades mecánicas de esos lubricantes son muy sensibles a la temperatura.

Hasta donde sé, lo más bajo que puede llegar con las baterías primarias es algo así como -50C. Los secundarios son aún peores. Por lo tanto, realmente no hay otra opción que aislar y calentar. La electrónica puede funcionar a bajas temperaturas, utilizando materiales de PCB que tienen una expansión similar al silicio, y montando directamente los chips de silicio en el sustrato sin el embalaje de chips clásico.

Un factor en esto que no se ha mencionado en las otras preguntas es que diferentes materiales cambian sus volúmenes de diferentes maneras en respuesta a las fluctuaciones de temperatura. Este es el concepto detrás de las tiras bimetálicas en los termostatos, por qué las tuberías se rompen cuando se congelan y por qué su comida se "quema en el congelador". Por lo tanto, aunque los semiconductores pueden ser bastante resistentes a las bajas temperaturas, las piezas mecánicas con una variedad de materiales (diferentes aleaciones, diferentes lubricantes) lo serán menos.

Para tener una parte mecánica que funcione a una temperatura extrema (como -100 ° C), presumiblemente necesitaría fabricarse a esa temperatura, integrarse en el componente principal a esa temperatura y mantenerse fría hasta que alcance el espacio.

Sugeriría que la razón clave es la fiabilidad: una vez que se ha lanzado una sonda al espacio, TIENE que funcionar.

Como tal, es mucho más seguro calentar un material conocido y confiable que ha sido sometido a pruebas exhaustivas que "inventar" un nuevo material que no se puede probar completamente en la Tierra.

En química, aprenderá la composición de la materia allí, le han pensado sobre las propiedades de ciertos metales / no metales. Tienen ciertos límites, como el punto de fusión / punto de congelación.

La temperatura importa en la electrónica. Cuando overclockea su computadora, necesita nitrógeno líquido para enfriar su chip. Lo mismo es cierto para cualquier otro dispositivo.

Los componentes electrónicos que van al espacio no solo enfrentan este problema, sino que también deben ser cautelosos con respecto a las radiaciones que pueden dañar los datos. Por lo tanto, generalmente los rovers llevan chips / baterías adicionales como respaldo. Los datos que recopilan allí son de gran importancia.