Además del combustible, ¿qué factores limitan la vida útil de una nave espacial? Por ejemplo, si alguien quisiera enviar una nave espacial en un viaje de 100 años alrededor del sistema solar y de regreso a la Tierra, ¿podría hacerlo utilizando la tecnología actual, ignorando la mecánica orbital y centrándose simplemente en la administración de energía y otros problemas similares?
Dinero.
¿Durante cuántas administraciones, regímenes, revoluciones, guerras, etc. se necesitará financiar las operaciones de una nave espacial de 100 años? Si espera recuperar los datos, deberá mantener las antenas y/o los cubos de fotones (para comunicaciones láser) apuntando a la cosa, y deberá mantener y probablemente reemplazar esos activos con el tiempo. Es poco probable que diseñe algo completamente autónomo durante un período de 100 años, por lo que también deberá mantener un equipo para comandar la nave espacial. Cualquiera que sea la ciencia, necesitará a alguien que señale los instrumentos y diga qué datos recopilar y cuándo. Probablemente necesitará navegar la nave espacial y mantener un equipo para la determinación de la órbita y la generación de maniobras. Si se trata de una devolución de muestra, entonces deberá pagar para que alguien encuentre el objeto, lo recoja y realice el análisis científico de las muestras devueltas. 100 años después
Muchas naves espaciales perfectamente buenas han sido cerradas debido a la falta de dinero. Las amenazas de hacerlo en el futuro continúan.
Probablemente haya un montón de problemas, pero comencemos con algunos fáciles:
La temperatura de cada lado del vehículo será muy diferente, ya que un lado estará a la luz del sol y el otro a la sombra. Puedes hacer un rollo de asador, como lo hizo Apolo en el camino a la luna, pero eso hace que mantener el bloqueo en la tierra con una antena sea más difícil.
Independientemente, cualquier material del que esté hecho el vehículo se expandirá y contraerá, en gran medida debido a los amplios cambios de temperatura y esto generará desgaste.
Las placas de circuito no se adaptan bien a esto, ya que las soldaduras y la soldadura pueden agrietarse.
Los componentes electrónicos sin un blindaje adecuado se verán abrumados por los protones de alta energía o la radiación beta que se encontrarán naturalmente.
Independientemente de cuán bueno sea el blindaje, en un período de tiempo de 100 años, es probable que ocurra algún daño.
Los paneles solares se degradan con el tiempo, por lo que, independientemente de la fuente de energía que elija, debe sobrevivir el período de tiempo de 100 años que actualmente es poco probable.
Cualquier cosa que se use para el mantenimiento de la estación/corrección de la órbita, eventualmente se agotará.
No existe una necesidad más fundamental en una nave espacial que una fuente de energía. A excepción de algunos de los primeros satélites, las naves espaciales son fundamentalmente sistemas electrónicos.
Si bien el generador radiotérmico es un dispositivo de larga duración, su principal punto de falla es la corrosión de los termopares. La salida de 470We de la sonda Voyager ahora se ha reducido significativamente; en función de la disminución del combustible, debería seguir siendo de alrededor de 350We... pero en la actualidad está por debajo de los 300 vatios. Muchas sondas de generaciones anteriores han dejado de funcionar debido a la corrosión del termopar RTG.
Los paneles solares también se degradan con el tiempo, aunque la rapidez es una combinación de otros factores. Aún así, cuando la energía solar falla, el satélite está muerto.
Un reactor nuclear completo es una de las fuentes de electricidad más compactas y potentes para naves espaciales. Tiene los problemas de los sistemas de conversión térmica a eléctrica, no muy diferentes a los de los RTG, de daños por corrosión y radiación, más el límite de combustible. Una vez que se usa el combustible, se usa. Además, el combustible se descompone se use o no; para el uranio-233, 234, 235, 238, la descomposición es trivial, pero puede causar daños a otros sistemas.
Varias fuentes de desgaste mecánico son importantes. El más importante es el ciclo térmico: cuando un objeto se calienta, se expande (con algunas excepciones, como el agua por debajo de los 4 °C) y cuando se enfría, se contrae. Esto puede causar flexión y fragilidad, e incluso agrietamiento de los componentes. Las fuentes de esto incluyen el funcionamiento de los instrumentos, la luz solar recibida y la ventilación de fluidos operativos (intencional o no).
La mayoría de las naves espaciales están en movimiento. Esto significa también que es probable que encuentren otros objetos en el entorno espacial local. El impacto con dichos objetos es una causa principal de fallas en los paneles solares y también puede causar fallas en una variedad de sensores. También es bastante predecible para eventos de bajo nivel (como el daño del viento solar) y bastante impredecible para eventos de alta energía (lo que la gente podría llamar "impactos").
La vibración operativa puede ser generada por ciclos operativos de instrumentos, motores para mover instrumentos e impactos menores. Al igual que con la expansión térmica, esto da como resultado daños por flexión del mismo tipo. También se destaca por aflojar los conectores si no están diseñados correctamente; la mayoría de las agencias espaciales dan cuenta de esto.
El desgaste por fricción es cualquier desgaste causado por el movimiento de la parte A sobre la parte B. Por lo general, es predecible, pero también es una fuente de calentamiento y, por lo tanto, el desgaste mecánico de la expansión térmica. La mayor parte del desgaste por fricción es predecible para las naves espaciales; para los módulos de aterrizaje/rovers, lo es menos, debido a las variables ambientales.
La radiación tiene múltiples efectos en las naves espaciales.
La radiación puede establecer valores directamente en la electrónica de estado sólido; cuanto más pequeño es el microcircuito, más impacto tiene. Este efecto generalmente no es significativo en términos de vida útil a largo plazo, pero puede resultar en terminaciones repentinas debido a la alteración del código. También está rutinariamente protegido contra.
La radiación sobre materiales, especialmente alfa y beta frente a metales, puede provocar cambios isotópicos y/o fisión (incluso de materiales normalmente "no fisionables"); con el tiempo, esto puede dar lugar progresivamente a cambios en la conductividad, la fragilidad y la resistencia a la tracción. Estos cambios son particularmente lentos, pero son parte de las consideraciones necesarias para los RTG y los reactores nucleares.
La radiación también puede causar daños directos a los circuitos al eliminar partes del circuito (partículas) o sobrecargar los circuitos (EMF y radiación de electrones). Estos pueden protegerse y generalmente son predecibles, pero están sujetos a variaciones.
El mayor problema con la radiación es que las naves espaciales transportan múltiples fuentes de radiación (antenas, RTG y/o reactores nucleares) y deben diseñarse para tener en cuenta las fuentes tanto internas como externas.
No todos los materiales utilizados son estables a largo plazo. Algunos se eligen por su propia reactividad (esto es cierto en el caso de los reactivos en experimentos químicos y de los combustibles) y otros por sus propiedades específicas durante la vida útil esperada.
Los ejemplos de reactividad por elección incluyen hidracina para propulsores y los numerosos experimentos químicos en varios módulos de aterrizaje marcianos.
Los ejemplos de propiedades específicas deseadas incluyen los materiales de las juntas en los sistemas de combustible: las juntas son un punto débil y se deterioran con el tiempo, pero son lo suficientemente estables para la duración esperada. Las juntas utilizadas en los SRB de la NASA son de un material diferente a las juntas de, por ejemplo, un conjunto de válvulas de gas comprimido o en una puerta de esclusa de aire de la ISS.
Probablemente podrían diseñarse generadores radiotérmicos que serían útiles durante tanto tiempo, siempre que los termopares puedan reemplazarse en vuelo.
Los sistemas de transmisión útiles serán extremadamente limitados, debido tanto a la fuga de combustible como a los problemas inherentes del delta-V limitado.
El desgaste mecánico de esa duración es un problema: los materiales modernos no se han probado adecuadamente para tales duraciones, y los materiales semimodernos rara vez tienen la durabilidad para este tipo de duración.
Una sonda de destino de caída muerta podría realizar fácilmente una misión de 100 años, es decir, una sonda que simplemente es un objetivo para detectar y carece de requisitos activos, salvo impactos, pero a medida que aumenta la duración, los impactos se vuelven considerablemente más probables.
Y, del mismo modo, se considera que las misiones Pioneer 10 y 11 todavía están en funcionamiento, aunque las sondas en sí mismas no pueden responder debido a la baja potencia (se sospecha que se debe principalmente a pérdidas por corrosión en los termopares); una pequeña parte de su misión era ser objetivos ficticios. Se pueden encontrar con la tecnología de telescopio existente y, por lo tanto, se puede rastrear su posición, lo que permite la continuación de su misión. Sin embargo, sus fases de misión activa terminaron en la década de 1990.
Mark Adler argumenta bien que se trata de una cuestión de financiación, pero como siempre, la moneda tiene dos caras. Si lo ponemos en analogía, si construimos una máquina de discos que podría funcionar durante cien años, también necesitaríamos a alguien que la siguiera alimentando con monedas de diez centavos. Si fuera realmente tan duradero, obtendrías tanta música como dinero. Pero también obtiene cien años de amortización de su inversión inicial, y eso es un montón de centavos. Y esa es la otra parte de la moneda. Si pudiéramos estar de acuerdo en escuchar su música durante cien años, haría rico a quien lo construyó. Alejándonos de la analogía, rico en nuestro caso significa mucha, mucha ciencia valiosa hecha con una sola sonda espacial.
Entonces, en sentido económico, esto debería ser claramente deseable. En sentido político, bueno, nos cansamos de una sola melodía bastante rápido (léase: habrá otros políticos firmando proyectos de ley), por lo que el dispositivo debería satisfacer muchos gustos diferentes. Es decir, debería haber algún incentivo, una motivación política para ello que excusara su financiación durante un siglo. Eso es probablemente más difícil de hacer que construirlo para que dure tanto tiempo. Pero suponiendo que pudiéramos hacer eso, y optar por amortizar los enormes costos iniciales de construir y lanzar la nave espacial dentro de cien años, obtendríamos una ciencia invaluable de ella, y todas las tecnologías derivadas desarrolladas para ella mucho antes de que incluso.
Por supuesto, asumiendo que funcionaría por tanto tiempo. Y eso por sí solo no sería una hazaña fácil. A medida que se aleja del Sol, las fuentes de energía renovable se vuelven escasas e inviables (la irradiación solar se reduce con un cuadrado inverso a la distancia desde la fuente), por lo que tendría que empacar un suministro de energía que dure. Para el primer tramo del viaje, se podrían usar paneles solares mientras la energía solar radiativa incidente aún es alta, pero eventualmente tendría que depender de fuentes de energía almacenadas, por ejemplo, RTG . En ese momento, comienza a producir un exceso de calor, ya sea por descarga de la batería, decaimiento de radioisótopos, etc.
Parte de este calor podría usarse para calentar la propia nave espacial y mantener todo su equipo dentro de la envoltura térmica para la que fue diseñada. Y los paneles solares ahora podrían funcionar como radiadores de exceso de calor, pero ya tiene un consumible más además de los propulsores, y ahora está produciendo bolsas de calor locales que no se pueden tratar fácilmente girando la sonda espacial como antes en el Sistema solar interno debido a la proximidad a fuentes externas de radiación (su mayor preocupación ahora proviene del interior), por lo que ahora toda la nave espacial está sujeta a desgaste debido a la expansión térmica, y no solo sus partes móviles (que podría usar menos frecuencia para reducir los daños causados por la operación, pero esa opción no está realmente disponible para la expansión térmica).
¿Se podrían solucionar estos problemas ? Probablemente, pero asegurar una operación de cien años es una tarea difícil y requeriría avances en la ciencia de los materiales que aún no conocemos, o la sonda espacial tendría que construirse teniendo en cuenta la redundancia, una que podría cambiar de un componente fallido a uno que funcione, mientras mantiene el resto de las unidades de reserva operativas aunque estén expuestas al mismo entorno implacable. Podríamos construir una sonda espacial teniendo en cuenta la redundancia hoy también, sin grandes avances en la ciencia de los materiales (y otros campos), pero sería pesada, difícil de lanzar, consumiría aún más de sus propios propulsores, tardaría más en llegar a lugares de interés (es decir, lo que solemos denominar la tiranía de la ecuación del cohete)), ser aún más complejo con una mayor posibilidad de que sus partes individuales fallen (p. ej., un buen ejemplo son las matrices de discos RAID que, si bien su vida útil operativa puede extenderse debido a la redundancia, tienen una expectativa de vida útil más corta por unidad simplemente por compartir el mismo gabinete y, por lo tanto, produciendo más calor), y quizás lo más importante, serían esencialmente muchas sondas espaciales metidas en una sola, sin ninguna ventaja sobre el simple lanzamiento de muchas en varias direcciones, cada una con una operación esperada de 10 a 20 años. Y si sucede algo impredecible con uno o algunos de ellos, otros estaban a una distancia segura y en otro lugar durante el incidente.
Y esto me lleva al punto que quería hacer. Que a pesar de que habría tremendos desafíos, probablemente podríamos hacerlo, pero por la inversión, simplemente podría tener múltiples, más simples y menos duraderas sondas espaciales que podrían estar más especializadas para los objetivos que estudiarían, en lugar de tener una que sobreviviría a todos ellos, pero llevaría a bordo equipo científico de cien años de antigüedad. Simplemente no hay ningún beneficio en una sonda espacial que dure cien años. Así que esto es lo que, en mi opinión, es el límite máximo de la vida útil de una sonda espacial. Nuestra propia paciencia con él.
Además de la respuesta de Geoffc, déjame dar algunas otras.
El viaje intrasolar es mucho más predecible y menos duro que la órbita terrestre baja, por lo que tenemos los materiales y la tecnología para hacer que algo sobreviva 100 años. El problema es la descomposición química de los sistemas de energía eléctrica, principalmente los paneles solares y las baterías. Obviamente necesitamos componentes de respaldo. Pero las copias de seguridad no pueden resolver el problema de la degradación química que tiene lugar antes de que se implementen las copias de seguridad. Por lo tanto, el factor limitante es qué tan rápido se degradan los componentes de energía eléctrica cuando no están en uso.
Todos los demás problemas se pueden resolver considerando los problemas que los ingenieros ya han enfrentado al mantener la Estación Espacial Internacional en el aire durante 15 años y contando.
Consideraciones térmicas : resueltas mediante pruebas y análisis. Considere el hecho de que el ambiente térmico en la Estación Espacial Internacional es mucho más complicado que una sonda intrasolar no tripulada porque entra y sale de la luz solar una vez cada 90 minutos.. La ISS también soporta días de radiación directa en ángulos orbitales elevados. Los alojamientos humanos necesitan un blindaje térmico mucho más protector que el que se necesitaría para proteger el equipo inorgánico dentro de una sonda no tripulada. Los grandes módulos habitables se agrupan estrechamente con otras grandes piezas de equipo y proyectan sombras sobre las juntas mecánicas y otros sistemas, lo que contribuye a la complejidad. Nuestra sonda sería varios órdenes de magnitud más pequeña y requeriría mucho menos análisis para cubrir todos los casos térmicos debido al entorno térmico relativamente estático.
Consideraciones mecánicas : resueltas mediante pruebas y análisis. La vida útil del equipo mecánico no debe medirse por el tiempo en servicio. Hay una razón por la que medimos el valor de un automóvil en función del número de millas recorridas y no de la edad, y las 'millas de carretera' se consideran menos angustiosas que las 'millas de la ciudad'. El mismo concepto se aplica a los viajes espaciales; el viaje intrasolar representa 'millas de carretera', órbita planetaria 'millas de ciudad'. Una junta mecánica puede tener un requisito de "grados girados" o ciclos de "apertura/cierre". Estos números se conocerían de antemano, especialmente para una pieza de equipo destinada a deslizarse inerte a través del sistema solar durante años. La ISS tiene muchas juntas rotativas, dos de las cualeshan estado viajando ~360 grados cada 90 minutos durante los últimos años. Básicamente, tenemos la tecnología para crear mecanismos con una vida útil de 100 años.
Otro entorno resuelto a través del análisis: evite los cinturones de asteroides y probablemente estará bien. Existe cierto grado de incertidumbre acerca de si la sonda sería golpeada por un asteroide o si se degradaría debido a los desechos espaciales, pero supongo que el flujo de desechos en el espacio interplanetario es mucho menor que en la órbita terrestre baja que actualmente ocupa la ISS .
Podemos construir un objeto que durará 100 años a la deriva a través del espacio vacío. Esto parece mucho tiempo en la escala humana, pero no es nada en términos de los materiales bien entendidos que se utilizan en las naves espaciales. La gran pregunta es qué le pedimos a la sonda que haga.
¿podría hacerse utilizando la tecnología actual, ignorando la mecánica orbital y centrándose simplemente en la administración de energía y otros problemas similares?
Sí. Es una cuestión de factibilidad más que de posibilidad. Los paneles solares se degradan, las baterías disminuyen su profundidad de descarga, las ruedas de reacción necesitan quemarse con impulso, pero todas estas cosas solo establecen el requisito de un mayor rendimiento al comienzo de la vida útil. Por ejemplo, si necesitamos 5 W de potencia de los paneles solares al final de su vida útil y sabemos que los paneles se degradan un 1 % cada año, estarán funcionando a (1-0,01)^100 = 0,634 * salida de potencia original al final de vida. Entonces, para encontrar el inicio de la energía requerida, simplemente podemos hacer 5W/0.634 = 7.88W. Por lo tanto, necesitamos paneles solares de tamaño adecuado para dar 7.88W. Sin embargo, ninguno de estos números es realmente apropiado, la degradación puede ser mucho mayor y es probable que la potencia requerida también sea mucho mayor.
La falla mecánica es un asunto diferente. La forma típica de lidiar con esto sería calcular la probabilidad de falla y proporcionar suficiente redundancia para que la probabilidad esté por debajo de un umbral aceptable. Esto aumentará la masa y el tamaño físico de la nave espacial.
En resumen, es perfectamente posible construir una nave espacial durante un período de 100 años. Sin embargo, es poco probable que la viabilidad de una nave espacial tan grande sea favorable.
Un punto final, con algunos mecanismos de órbita abrumadoramente precisos, podría colocar una nave espacial en una trayectoria que le daría un recorrido por el sistema solar y la traería de regreso a la Tierra. No es necesario que esta nave espacial esté operativa en ningún punto de este viaje o del choque posterior. Sin embargo, esto cumple con sus requisitos.
Las Voyager 1 y 2 han estado operativas durante 36 años; Creo que son nuestras misiones espaciales más duraderas hasta la fecha. Todavía están en buen estado de funcionamiento. Sus generadores de energía radiotérmica probablemente dejarán de funcionar en otros diez años más o menos, pero no veo ninguna razón fundamental por la que no se pueda construir una sonda tipo Voyager con una vida útil de 100 años. Más/más grandes RTG durarían más, pero implicarían agregar peso a la nave, lo que tendría que pagarse reduciendo la carga útil del sensor o usando un lanzador más grande.
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Todo el mundo