Ich weiß, dass die Temperatur die Eigenschaften von Halbleitern und anderen Materialien beeinflusst, aber wir wissen, wie und können dies berücksichtigen. Darüber hinaus machen niedrigere Temperaturen die Elektronik effizienter, manchmal sogar supraleitend.
Ich erinnere mich, dass ich irgendwo gelesen habe, dass Ingenieure, die Curiosity bauen, sogar Niedertemperaturelektronik für die Motoren in Betracht zogen, die die Räder antreiben, sich aber am Ende immer noch dagegen entschieden haben.
Warum ist es anscheinend so schwierig, Komponenten mit Betriebstemperaturen zu bauen, die denen auf dem Mars, in Europa oder im Weltraum entsprechen?
Bearbeiten: Keine der Antworten adressiert meine Frage bisher. Ich weiß, dass alle Teile, sowohl elektronische als auch mechanische, sowie Fette usw. relativ enge Arbeitstemperaturen haben. Meine Frage ist, warum bauen wir keine speziellen kalten Metalle und kalten Fette und kalten Späne, deren enges Betriebstemperaturband bei -100 ° C liegt oder was auch immer?
Gültige Antworten könnten sein: Es ist zu teuer, es wurden nicht genügend wissenschaftliche Untersuchungen durchgeführt, um Materialien zu bestimmen, die für eine solche Kälte geeignet sind. Solche kalten Materialien können nicht in der drückenden Hitze des Planeten Erde hergestellt werden.
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Antworten:
Weil im Herstellungsprozess von elektronischen Bauteilen bei niedrigen Temperaturen nicht genügend Forschung und Entwicklung betrieben wird. Und die Sonden müssen zuverlässig sein.
Sie können keine Teile bei 250 ° C herstellen und erwarten, dass sie bei -100 ° C funktionieren, da beispielsweise ein Chip sowohl Siliziumteile als auch Wolframteile enthält. Diese beiden haben unterschiedliche Temperatur- und Dehnungseigenschaften, sodass die Teile einfach auseinanderfallen würden.
Bei niedrigen Temperaturen können Sie kein Zinn zum Löten verwenden, siehe Zinnschädling .
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Weil die Teile nur in einem begrenzten Temperaturbereich zuverlässig arbeiten. Wenn die Temperatur außerhalb des Bereichs liegt, funktionieren die Chips möglicherweise nicht richtig oder gar nicht.
Sonden haben normalerweise auch eine Art Pufferbatterie und Batterien verlieren sehr schnell an Kapazität, wenn sie kälter als 0 ° C werden. Es ist einfach einfacher und effizienter, Batterie und Elektronik warm zu halten, als unterschiedliche Eigenschaften auszugleichen.
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Ich möchte drei Hauptpunkte für die Temperaturempfindlichkeit von Elektronik, elektronischen Bauteilen und mechanischen Teilen anführen:
Alle Batterien sind sehr empfindlich , wenn es um Temperatur kommt. Die chemischen Reaktionsgeschwindigkeiten werden verringert und der Leckstrom erhöht.
Siliziumchips haben normalerweise kein Problem mit niedrigen Temperaturen. Was tut, ist die Verpackung und die PCB-Substrate und Bindungen. Und auch hier ist das eigentliche Problem nicht die niedrige Temperatur, sondern der Temperaturbereich. Der Grund dafür ist, dass die Materialien unterschiedliche thermische Eigenschaften wie Wärmeleitfähigkeit und Ausdehnung haben. Die verpackten Chips sowie die Bindungen mit der Leiterplatte erzeugen mechanische Spannungen, die die Wahrscheinlichkeit von Mikrorissen in den leitfähigen Materialien erhöhen.
Bewegliche mechanische Teile wie Motoren und Getriebe benötigen häufig Schmiermittel. Die mechanischen Eigenschaften dieser Schmiermittel sind sehr temperaturempfindlich.
Soweit ich weiß, ist der niedrigste Wert, den Sie mit Primärbatterien erreichen können, etwa -50 ° C. Sekundäre sind noch schlimmer. Es gibt also wirklich keine andere Möglichkeit als zu isolieren und zu heizen. Die Elektronik, mit der Sie bei niedrigen Temperaturen arbeiten können, indem Sie Leiterplattenmaterialien verwenden, die eine ähnliche Ausdehnung wie Silizium aufweisen, und die Siliziumchips ohne die klassische Chipverpackung direkt auf dem Substrat montieren.
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Ein Faktor, der in den anderen Fragen nicht erwähnt wurde, ist, dass verschiedene Materialien ihre Volumina als Reaktion auf Temperaturschwankungen auf unterschiedliche Weise ändern. Dies ist das Konzept hinter Bimetallstreifen in Thermostaten, warum Rohre beim Gefrieren platzen und warum Ihre Lebensmittel "gefriergebrannt" werden. Obwohl Halbleiter gegenüber kalten Temperaturen ziemlich widerstandsfähig sind, sind mechanische Teile mit einer Vielzahl von Materialien (verschiedene Legierungen, verschiedene Schmiermittel) weniger widerstandsfähig.
Um ein mechanisches Teil zu haben, das bei einer extremen Temperatur (wie -100 ° C) arbeitet, müsste es vermutlich bei dieser Temperatur hergestellt, bei dieser Temperatur in die Hauptkomponente integriert und kalt gehalten werden, bis es den Raum erreicht.
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Ich würde vorschlagen , dass der Hauptgrund , Zuverlässigkeit - einmal eine Sonde in den Weltraum geschossen wurde, ist es HAS an die Arbeit.
Daher ist es viel sicherer, ein bekanntes, zuverlässiges Material zu erhitzen, das umfangreichen Tests unterzogen wurde, als ein neues Material zu "erfinden", das auf der Erde nicht vollständig getestet werden kann.
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In der Chemie lernen Sie die Zusammensetzung der Materie, die Sie über die Eigenschaften bestimmter Metalle / Nichtmetalle nachgedacht haben. Sie haben bestimmte Grenzen, wie Schmelzpunkt / Gefrierpunkt.
In der Elektronik spielt die Temperatur eine Rolle. Wenn Sie Ihren Computer übertakten, benötigen Sie flüssigen Stickstoff, um Ihren Chip abzukühlen. Gleiches gilt für jedes andere Gerät.
Die Elektronik, die in den Weltraum gelangt, ist nicht nur mit diesem Problem konfrontiert, sondern muss auch vorsichtig mit Strahlungen sein, die Daten beschädigen können. Daher tragen Rover normalerweise zusätzliche Chips / Batterien zur Sicherung. Die Daten, die sie dort sammeln, sind von großer Bedeutung.
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