¿Cómo pueden los componentes electrónicos a bordo del JWST sobrevivir a la baja temperatura de funcionamiento mientras es difícil sobrevivir a las noches lunares?

Del estado del protector solar y la nave espacial JWST que se encuentra en la respuesta de @Antzi :

La mayoría de los componentes electrónicos están en el "lado caliente", pero es necesario que haya algunos componentes electrónicos convencionales en el lado frío (además de los chips del sensor IR enfriado).

Los ambientes térmicos pequeños en el lado frío están equipados con calentadores para proporcionar mini ambientes a temperatura normal de funcionamiento para estos dispositivos electrónicos.

[...] Los calentadores de control termostático se utilizan para mantener el equipo por encima de la temperatura mínima requerida en condiciones de frío. Los calentadores controlados por la electrónica de accionamiento del calentador (HDE) se utilizan para mantener el panel +J3, las líneas de propulsión, la batería, el rastreador de estrellas y los aisladores de 1 Hz dentro del rango de estabilidad requerido.

Las temperaturas de los componentes de la nave espacial se mantienen dentro de los límites requeridos mediante el uso de radiadores, tubos de calor, MLI y calentadores. Los calentadores controlados por termostato y software son los dos tipos que se utilizan en esta nave espacial. Los calentadores de control de software se utilizan para mantener un control estricto de la temperatura para los componentes y estructuras críticos de la nave espacial. Los calentadores están controlados por software de vuelo con control de retroalimentación de temperatura. El software de vuelo permite que la tierra modifique las constantes de la misión TCS, que incluyen puntos de ajuste del calentador de encendido/apagado y umbrales de falla.

Si sobrevivir a las noches lunares es difícil asegurar la supervivencia de la electrónica, digamos en los rovers lunares, en las bajas temperaturas,

La temperatura en sí no es la razón principal.

Las noches lunares son difíciles de sobrevivir porque tienes 14 días de oscuridad. Si desea diseñar un rover alimentado por energía solar que pueda almacenar suficiente energía para mantenerse caliente durante 14 días, el rover se vuelve grande y pesado. Demasiado pesado para lanzar con los cohetes actuales.

Así que en su lugar usamos calentadores de desintegración nuclear, que son mucho más pequeños y livianos.

La alternativa es apagar para la noche lunar. Pero luego todo el rover se enfría y se calentará nuevamente a la mañana siguiente. Estos ciclos de calor son la causa habitual de la muerte: debido a que diferentes materiales se expanden y contraen a diferentes velocidades, es realmente difícil diseñar componentes electrónicos que permanezcan intactos con cambios de temperatura tan grandes.

JWST, por otro lado, está en luz solar permanente. Esto tiene varias consecuencias:

• puede calentar los componentes electrónicos directamente colocándolos en el lado caliente de la nave espacial
• puede usar la energía eléctrica de los paneles solares para hacer funcionar los calentadores en el lado frío, sin necesidad de baterías grandes.

Por lo tanto, no puede usar los métodos de JWST en un vehículo lunar: sus entornos son demasiado diferentes.

El calentamiento nuclear no es "notorio", solo hace que la misión sea un poco más costosa. Es una tecnología madura y confiable que funciona, entonces, ¿por qué no usarla?

Fuente: Yo. Actualmente trabajo como ingeniero de sistemas en JWST.

JWST operará desde el segundo punto de Lagrange (también conocido como L2), que está aproximadamente a 1,5 millones de km (o 930 000 millas) más allá de la Tierra en la línea Sol-Tierra. Esto es aproximadamente 4x la distancia de la Tierra a la Luna. Esta distancia, además de su órbita suave, asegura que no se encontrará con ninguna Noche Lunar, y su conjunto solar permanecerá en el sol.

Con respecto a su temperatura operativa, debe comprender que JWST tiene tres (3) regiones térmicas claramente definidas y una región de transición. La Región 3 es el compartimento de la nave espacial. Este alberga todos los principales subsistemas/electrónicos de la nave espacial (computadora principal, sistema de comunicaciones, control de actitud, etc., así como la computadora del instrumento principal y los refrigeradores criogénicos). Esta región está bajo el sol continuo, por lo que opera entre 0 y 40 C, según la ubicación en órbita y la eficiencia de la disipación térmica. La batería también está alojada en la Región 1, por lo que nunca experimentará el frío drástico.

Con el parasol de 5 capas, hay una zona de transición para pasar del lado del sol "caliente" al lado del frío criogénico. Tenga en cuenta que se trata de una transición de temperatura muy pronunciada, por lo que los materiales y el cableado deben soportar todo esto, además de las líneas del refrigerador criogénico.

La Región 1 es la parte "fría" del observatorio y abarca los espejos, los actuadores y los instrumentos (es decir, todas sus partes mecánicas y sus detectores), la estructura de soporte y varios calentadores, arneses y conductores térmicos. Aquí la temperatura se reducirá pasivamente por debajo de los 30 K, salvo los calentadores que mantienen los instrumentos a su temperatura de funcionamiento, y el instrumento criogénico, que baja a 6 K. Los mecanismos del instrumento están todos diseñados para trabajar a estas bajas temperaturas, y el Los sistemas de plano focal también están especialmente diseñados para estas temperaturas, con algún procesamiento inmediato/local.

La Región 2 está ubicada en la parte posterior de la Región 1. Contiene las cajas electrónicas del instrumento (fuera de la computadora principal del instrumento) y un par de otras cajas electrónicas de soporte. Esta es una caja muy bien aislada con calentadores de placa base para mantenerla a >0 C, por lo que, en comparación con la Región 1, ¡hace bastante calor! También contiene radiadores direccionales especializados que ayudan a arrojar el calor de la Región 1 al espacio profundo para enfriar y mantener la temperatura operativa.

Tenga en cuenta que todas estas regiones térmicas existen al mismo tiempo en JWST, aunque la mayoría de los componentes electrónicos se mantienen bastante calientes. Entre 4 pruebas de criovacío y una prueba de vacío térmico, los componentes principales de todos ellos se han probado con éxito.

@GremlinWranger: Con respecto a los ciclos térmicos y los filamentos de estaño, la NASA (y, por extensión, sus contratistas) requieren el uso de soldaduras específicas y recubrimientos de conformación para mitigar los filamentos de estaño y la descarga de Paschen. Además, una vez allí y todo se haya enfriado a su temperatura operativa, las diversas regiones de JWST permanecerán a su temperatura dentro de varios kelvin (para el ciclo del calentador y los efectos estacionales/orbitales), salvo que se produzcan incidentes.

@uhoh: ¡Gracias por el diagrama y el texto citado!

En términos de la propia electrónica, muchos dispositivos específicos pueden funcionar a temperaturas bastante bajas, aunque cualquier propiedad que dependa de la dimensión física (resistencia y capacitancia) cambiará ligeramente debido a la contracción. Algunos, sin embargo, explícitamente no pueden.

Las baterías dependen de reacciones químicas que se ralentizan acercándose al cero absoluto y si todos los elementos están congelados. Las baterías de alta capacidad también tienen microestructuras que pueden romperse si se forman cristales de hielo debido a la congelación. Esta interrupción puede provocar cortocircuitos cuando se vuelve a descongelar.

Algunos capacitores de alto valor contienen un fluido electrolítico que tiene resultados similares a los de las baterías cuando se congelan y descongelan. Por lo general, se pueden intercambiar con variedades de menor capacidad con una penalización de peso.

Los semiconductores cambian sus propiedades de varias formas con la temperatura . En particular, la resistencia en el estado encendido aumenta a bajas temperaturas. Esto se puede solucionar cambiando el dopaje de las piezas y diseñándolas de modo que la pieza pueda funcionar con una amplia gama de parámetros, pero esto aumenta el tamaño, el peso, el consumo de energía y la complejidad del diseño. Esto prácticamente descarta el procesamiento de alto rendimiento a temperaturas muy bajas, pero los sensores y el acondicionamiento básico de la señal son posibles.

Las piezas electrónicas de alto rendimiento involucran varios materiales diferentes (con diferentes coeficientes de expansión) en contacto eléctrico entre sí, como se señala en la respuesta de Hobbes, los ciclos repetidos producirán fallas con el tiempo si se pierde la conexión. Esto se puede reducir mediante un diseño cuidadoso , pero implica un aumento de peso y complejidad. También se cree que los ciclos de temperatura están involucrados en los bigotes de estaño que pueden crear todo tipo de problemas complejos.