Was sind die technischen Herausforderungen beim Bau eines Titan-Rover, der keine Heizung benötigt?

Bei der Diskussion dieser Frage wird davon ausgegangen, dass wir den Rover erwärmen müssten, damit (die meisten) seiner Komponenten bei Temperaturen betrieben werden, die viel heißer als die Umgebungstemperatur (etwa 90 K) sind. Aktuelle Mars-Rover müssen in der Regel zumindest einige ihrer Komponenten nachts beheizen, sonst fallen sie aus. Für Titan mit seiner dichten Atmosphäre stellt dies eine Reihe von Designherausforderungen dar, die vage mit dem Versuch vergleichbar sind, einen Rover auf der Erde zu betreiben, von dem viele Komponenten 200 oder 300 ° C hatten:

  • Kraft, um es warm zu halten, angesichts der dicken Atmosphäre, um die Wärme abzuleiten
  • Schmelzen oder Kochen vieler Verbindungen in der Umgebung, wenn sie in Kontakt kommen. Das ist aus wissenschaftlicher Sicht schlecht, aber auch gefährlich, es könnte einsinken oder durch explodierende Taschen flüchtiger Stoffe herumgeschleudert werden
  • lokales "Wetter"-System, das durch erhitztes Gas verursacht wird, das vom Rover aufsteigt
  • Temperaturänderungen in Teilen des Rovers, wenn sie in Kontakt mit dem Boden oder mit Flüssigkeiten kommen und ihn wieder verlassen
  • "Dampfexplosionen", wenn es in einen See fällt

Die offensichtliche Lösung besteht darin, dies einfach nicht zu tun - versuchen Sie, den Rover so weit wie möglich bei oder nahe der Umgebungstemperatur zu betreiben und alle wärmeerzeugenden Komponenten mit der lokalen Atmosphäre zu kühlen.

Wie schwer wäre das zu tun? Können wir Computer, Sensoren, Motoren, die kalte Seite der Stromquelle usw. so bauen, dass sie bei diesen Temperaturen funktionieren? Wenn nicht, was sind die Hindernisse?

Mein erster Gedanke war, dass Halbleiter bei niedrigen Temperaturen nicht mehr funktionieren, aber es scheint, dass der Übergang bei einer niedrigeren Temperatur erfolgt als die Oberfläche von Titan: extremetemperatureelectronics.com/tutorial3.html
nur wegen extremer Temperaturen verwandt Wäre es möglich, eine Sonde zu bauen, die ohne Isolierung bei 900F Grad arbeiten könnte? und auch potenzielle Hochtemperatur-Stromquellen für einen Venus-Lander . Ich denke, Niedertemperatur-Batterien könnten eine kleine Herausforderung darstellen. vielleicht stattdessen eine Aufziehfeder?
Gibt es einen grundsätzlichen Grund, warum Niedertemperaturbatterien (die nicht bei höheren Temperaturen funktionieren müssen) nicht existieren können, oder haben wir nur wenig Erfahrung?
@SteveLinton, das ist eine großartige Frage, die möglicherweise separat gestellt werden könnte. Ich kenne die Antwort nicht, aber die Chemie verlangsamt sich im Allgemeinen exponentiell mit der Temperatur.
Explosionen? Lokales Wetter? Du überschätzt die Wirkung dramatisch. Andererseits sollte ich wahrscheinlich etwas gegen das Gewitter unternehmen, das sich über der Thermoskanne mit 80K-über-Umgebungskaffee in meiner Küche bildet ...
@asdfex Vielleicht. Bei niedrigen Temperaturen sind die spezifischen Wärmekapazitäten jedoch geringer. Ich vermute, es ist relevanter zu sagen, dass ein (Erd-) Raumtemperatur-Rover-Teil etwa das Dreifache der Umgebungstemperatur hat. Entspricht 540 C auf der Erde. Und Sie wollen wirklich nicht, dass etwas mit dieser Temperatur versucht, über einen nassen Strand zu laufen.
@SteveLinton Die Wärmekapazität von Stickstoff und Methan ändert sich nicht wesentlich - nur wenige Prozent zwischen 100 K und 300 K. Und während der Druck nur 1,5 bar beträgt, ist die Dichte aufgrund der niedrigen Temperatur viermal höher als auf der Erde. Konvektion und Wärmeleitung skaliert mit der Temperaturdifferenz, nicht mit dem Temperaturverhältnis.

Antworten (2)

Ich denke, wir sollten dies in zwei Teile aufteilen: Betrieb bei niedrigen Temperaturen und Auswirkungen eines "heißen" Rovers auf die Umwelt.

Die meisten halbleiterbasierten Elektroniken, wie wir sie heute haben, haben kein inhärentes Problem beim Betrieb bei sehr niedrigen Temperaturen. Die Eigenschaften von zB Dioden und Transistoren hängen stark von der Temperatur ab, die in allen analogen Schaltungen (zB Sensoren) und weniger in digitalen Schaltungen (Prozessoren, Speicher) eine wichtige Rolle spielt. Wir können nicht davon ausgehen, herkömmliche Schaltungen zum Titan zu bringen und dort problemlos zu betreiben, wir müssen sie speziell für niedrige Temperaturen auslegen. Dies ist im Allgemeinen nicht zu kompliziert, es läuft hauptsächlich darauf ab, die richtigen Komponenten auszuwählen und Dinge wie Arbeitspunkte und Verstärkung von Transistoren richtig zu definieren. Dies kann ohne allzu große Schwierigkeiten auf der Erde getestet und verifiziert werden.

Ein wichtiges Problem ist die mechanische Belastung aufgrund der enormen Temperaturunterschiede, die bei unsachgemäßer Ausführung sowohl Komponenten als auch Lötstellen beschädigen können. Auch dies kann ohne allzu großen Aufwand und ein gut gemachtes Design gemildert werden.

Wo wir auf echte Probleme stoßen, sind alle chemischen Komponenten wie Batterien. Chemische Prozesse neigen dazu, sich bei niedrigen Temperaturen stark zu verlangsamen, sodass die meisten Batterien bei bereits mäßig kalten Temperaturen nicht gut funktionieren. Man könnte darüber nachdenken, Batterien durch Kondensatoren zu ersetzen. Aber leider sind Kondensatoren mit hoher Kapazität auf Elektrolytflüssigkeiten angewiesen und können auch nicht zu niedrigen Temperaturen standhalten. Es besteht weiterhin die Möglichkeit, ganz auf Batterien zu verzichten: In aktuellen Rovern werden sie benötigt, um beim Betrieb von Hochleistungsgeräten genügend Strom liefern zu können, während der Stromgenerator nur darauf ausgelegt ist, genügend Strom für den durchschnittlichen Verbrauch zu liefern. Das spart viel Gewicht auf der Generatorseite.

Die einzig praktikable Energiequelle für einen solchen Rover ist eine Form der Kernenergiequelle (derzeit höchstwahrscheinlich RTG, aber ein Spalt- oder Fusionsreaktor kann in Zukunft eine mögliche Wahl sein). Wenn die Generatorquelle so ausgelegt ist, dass sie den Spitzenstromverbrauch des Rovers bewältigen kann, werden keine Batterien mehr benötigt. Die Gewichtsstrafe wird hoch sein, aber es ist eine funktionierende Lösung.

Diese Energiequellen haben den zusätzlichen Vorteil, dass sie eine riesige Menge direkter Wärme liefern, die verwendet werden kann, um den Rover warm zu halten. Es liegt auf der Hand, dass für den Betrieb bei sehr niedrigen Temperaturen die Isolierung im Vergleich zu aktuellen Mars-Rovern viel stärker sein muss und dass (zum Beispiel) beheizte Lagerplätze für empfindliche Geräte vorhanden sein müssen.

Im Vergleich zu der Aussage in der Antwort sehe ich kein tatsächliches Problem darin, Teile des Rovers bei Temperaturen zu betreiben, die mindestens 100 K über der Umgebungstemperatur liegen (dh -50 ° C in einer Umgebung von -150 ° C). Die Isolierung funktioniert sehr gut, und es gibt keinen Grund anzunehmen, dass irgendeiner der exponierten Teile des Rovers auch nur annähernd diese Innentemperatur haben wird. Zum Vergleich: Menschen bewegen sich regelmäßig bei Umgebungstemperaturen von mehr als 60 K unter ihrer Körpertemperatur und halten dies stundenlang mit einer Heizleistung von gerade mal 100 W aus.

Die Abkühlung durch Wärmeübertragung an die Atmosphäre ist auf Titan nicht viel stärker als auf der Erde: Der Luftdruck ist 1,5-mal höher, die Dichte etwa 2,5-mal höher, die Wärmekapazität etwas geringer – das entspricht etwa einem Faktor 4 bei starkem Wind. Bei Windstille spielt nur Konvektion eine Rolle, die aber aufgrund der viel geringeren Schwerkraft geringer ist als auf der Erde.

Das ist wirklich hilfreich. Sie diskutieren elektronische und chemische Bedenken, obwohl ich mich frage, ob es möglicherweise keine Batteriechemie gibt, die unter diesen Bedingungen verwendbar ist, aber viel zu reaktiv, um bei Erdtemperaturen sicher zu sein. Was ist mit mechanisch? Gibt es brauchbare Gleitmittel oder Möglichkeiten, Gleitmittel zu vermeiden?
@SteveLinton eine "Cyro-Batterie", die Sie während des Transports gekühlt halten müssen oder die explodiert? Klingt wirklich interessant, klingt aber auch nach der Umkehrung des Problems. Es könnte schlimmer sein, diese Batterie 2,5 bis 6,5 Jahre lang vor der Sonne zu schützen, während sie den Saturn erreicht.
@SteveLinton: Batteriechemien, die zu reaktiv sind, um bei Erdtemperaturen sicher zu sein, wären schwierig zu testen, zu bauen und zu transportieren, und es besteht keine besondere Notwendigkeit, solche Komponenten auf der Oberfläche bei Umgebungstemperatur zu halten, sodass Sie kein großes Problem lösen. Beachten Sie jedoch die Möglichkeit der Verwendung von Hochtemperatur-Supraleitern für Komponenten, die leicht nahe der Umgebungstemperatur gehalten werden können. Und es gibt sicherlich kryogensichere Schmiermittel, zum Beispiel Graphit.
Für den Transport solcher Batterien könnte eine 2-Komponenten-Konstruktion verwendet werden - Elektrolyt erst nach Ankunft in die Batterie einfüllen. Das Testen von Sachen in einer geschlossenen Kammer bei -150 °C ist auch nicht allzu kompliziert.
Die Heizleistung einer Person in Ruhe kann etwa 70 bis 100 W betragen, aber wenn sich eine Person bei Umgebungstemperaturen von mehr als 60 K unter ihrer Körpertemperatur bewegt, kann die Heizleistung je nach körperlicher Aktivität etwa 200 bis 600 W betragen.
gut durchdachte antwort! Ein RTG würde Wärme durch eine Mischung aus Konvektion und Strahlung abgeben; Sie würden den gesamten Wärmeverlust nehmen, den Sie erhalten können, um die Umwandlungseffizienz zu maximieren. Wenn der Wind also schwach war, würde sich darüber eine Konvektionssäule aus aufsteigender "Luft" befinden. Sie würden wahrscheinlich heldenhafte Anstrengungen unternehmen wollen, um die Oberfläche darunter nicht zu erhitzen, damit nichts unter dem Rover ausgast oder weich wird oder schmilzt, aber wie Sie sagen, scheint alles machbar zu sein.

Titan hat eine sehr dichte Atmosphäre, ist außergewöhnlich kalt, der Unterschied ist, dass es kalt bleibt. Tatsache ist, dass selbst in der Kälte des Weltraums die Elektronik etwas gekühlt werden muss, um thermische Schäden zu vermeiden. Typischerweise verwenden sie eine Wärmequelle in Form eines RTG oder einer radioaktiven Wärmequelle, um eine gewisse Erwärmung zu erreichen. Angenommen, die Stromversorgung würde Wärme liefern, während die Umgebungstemperatur ein ideales Kühlmittel wäre. Titans dicke, dunstige Atmosphäre und die Entfernung von der Sonne machen Solarenergie unpraktisch.

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