Geld.

Über wie viele Verwaltungen, Regime, Revolutionen, Kriege usw. muss ein 100-jähriger Raumfahrzeugbetrieb finanziert werden? Wenn Sie erwarten, dass Daten zurückerhalten werden, müssen Sie Antennen und / oder Photoneneimer (für Laserkommunikation) auf das Objekt richten und diese Assets im Laufe der Zeit warten und wahrscheinlich ersetzen. Es ist unwahrscheinlich, dass Sie über einen Zeitraum von 100 Jahren etwas völlig Autonomes entwerfen. Daher müssen Sie auch ein Team unterhalten, das das Raumschiff befehligt. Was auch immer die Wissenschaft ist, Sie brauchen jemanden, der auf die Instrumente zeigt und sagt, welche Daten wann gesammelt werden sollen. Sie müssen wahrscheinlich das Raumschiff navigieren und ein Team für die Bestimmung der Umlaufbahn und die Generierung von Manövern unterhalten. Wenn es sich um eine Probenrückgabe handelt, müssen Sie dafür bezahlen, dass jemand das Ding findet, es abholt und die Wissenschaft an den zurückgegebenen Proben durchführt. 100 Jahre später.

Viele perfekt gute Raumschiffe wurden aus Geldmangel abgeschaltet. Die Drohungen, dies in Zukunft zu tun, gehen weiter.

Es gibt wahrscheinlich eine Reihe von Problemen, aber beginnen wir mit einigen einfachen:

• Thermische Zyklen

Jede Seite des Fahrzeugs unterscheidet sich in Temperatur sehr viel, da eine Seite im Sonnenlicht ist, die andere im Schatten. Sie können eine Rotisserie-Rolle machen, wie es Apollo auf dem Weg zum Mond getan hat, aber das erschwert die Aufrechterhaltung der Erdverriegelung mit einer Antenne.

Unabhängig davon, aus welchen Materialien das Fahrzeug besteht, wird es sich ausdehnen und zusammenziehen Dies ist häufig auf starke Temperaturschwankungen zurückzuführen und führt zu Verschleiß.

Leiterplatten eignen sich nicht gut dafür, da Schweißnähte und Lötmittel reißen können.

• Strahlenschäden

Elektronik ohne ausreichende Abschirmung wird von den hochenergetischen Protonen oder der Beta-Strahlung überwältigt, die auf natürliche Weise auftreten.

Unabhängig davon, wie gut die Abschirmung ist, ist es über einen Zeitraum von 100 Jahren wahrscheinlich, dass Schäden auftreten.

Solarmodule verschlechtern sich im Laufe der Zeit, unabhängig von der von Ihnen gewählten Stromquelle. muss die derzeit unwahrscheinliche Zeitspanne von 100 Jahren überstehen.

• Verbrauchsmaterialien

Was auch immer für die Stationshaltung / Umlaufbahnkorrektur verwendet wird, wird irgendwann ausgehen.

• Dauer des Stromversorgungssystems
• Mechanischer Verschleiß
  • Temperaturwechsel
  • Aufprallschaden
  • Betriebsvibration
  • Reibungsverschleiß

Dauer des Stromversorgungssystems

Es gibt keinen grundlegenderen Bedarf an einem Raumschiff als eine Kraftquelle. Mit Ausnahme einiger der frühesten Satelliten sind Raumfahrzeuge grundsätzlich elektronische Systeme.

Während der Funkthermogenerator ein langlebiges Gerät ist, ist ihr Hauptversagenspunkt die Korrosion der Thermoelemente. Die 470We-Leistung der Voyager-Sonde ist jetzt erheblich reduziert - sie sollte, basierend auf dem Kraftstoffabfall, immer noch bei 350We liegen ... aber sie liegt derzeit unter 300 Watt. Viele Sonden früherer Generationen haben aufgrund der RTG-Thermoelementkorrosion ihre Funktion eingestellt.

Sonnenkollektoren verschlechtern sich ebenfalls im Laufe der Zeit, obwohl eine Kombination anderer Faktoren so schnell ist. Wenn die Sonne ausfällt, ist der Satellit jedoch tot.

Ein vollständiger Kernreaktor ist eine der kompaktesten und leistungsstärksten Stromquellen für Raumfahrzeuge. Es hat die Probleme der thermischen zu elektrischen Umwandlungssysteme, die denen von RTGs nicht unähnlich sind, der Korrosions- und Strahlenschäden sowie der Kraftstoffgrenze. Sobald der Kraftstoff verbraucht ist, wird er verbraucht. Ferner zerfällt der Kraftstoff, ob er verwendet wird oder nicht; Für Uran-233, 234, 235, 238 ist der Zerfall trivial, kann jedoch selbst andere Systeme beschädigen.

Mechanischer Verschleiß

Mehrere Ursachen für mechanischen Verschleiß sind wichtig. Das wichtigste ist der Wärmezyklus - wenn sich ein Objekt erwärmt, dehnt es sich aus (mit wenigen Ausnahmen, wie Wasser unter 4 ° C) und zieht sich beim Abkühlen zusammen. Dies kann zu Biegung und Sprödigkeit und sogar zu Rissen an Bauteilen führen. Die Quellen hierfür sind der Betrieb von Instrumenten, empfangenes Sonnenlicht und das Ablassen von Betriebsflüssigkeiten (absichtlich oder nicht).

Die meisten Raumfahrzeuge sind in Bewegung. Dies bedeutet auch, dass sie wahrscheinlich auf andere Objekte in der lokalen Raumumgebung treffen. Der Aufprall auf solche Objekte ist eine Hauptursache für Ausfälle von Solarmodulen und kann auch zum Ausfall einer Vielzahl von Sensoren führen. Es ist sowohl für Ereignisse auf niedrigem Niveau (wie Schäden durch Sonnenwind) ziemlich vorhersehbar als auch für Ereignisse mit hoher Energie (was Menschen als "Auswirkungen" bezeichnen könnten) ziemlich unvorhersehbar.

Betriebsvibrationen können durch Betriebszyklus des Instruments erzeugt werden. Motoren zum Bewegen von Instrumenten und kleinere Stöße. Dies führt wie bei der Wärmeausdehnung zu gleichartigen Biegeschäden. Es wird auch zum Lösen von Steckverbindern empfohlen, wenn diese nicht ordnungsgemäß ausgelegt sind. Die meisten Raumfahrtagenturen sind dafür verantwortlich.

Reibungsverschleiß ist jeder Verschleiß, der durch das Bewegen von Teil A über Teil B verursacht wird. Er ist normalerweise vorhersehbar, aber auch eine Wärmequelle und damit der mechanische Verschleiß der Wärmeausdehnung. Der meiste Reibungsverschleiß ist für Raumfahrzeuge vorhersehbar. Für Lander / Rover ist dies aufgrund von Umgebungsvariablen weniger der Fall.

Strahlenschäden

Strahlung hat mehrere Auswirkungen auf Raumfahrzeuge.

Strahlung kann Werte direkt in einstellen Festkörperelektronik; Je kleiner die Mikroschaltung ist, desto mehr Einfluss hat dies. Dieser Effekt ist normalerweise für die langfristige Lebensdauer nicht signifikant, kann jedoch zu plötzlichen Abbrüchen aufgrund von geändertem Code führen. Es ist auch routinemäßig gegen Abschirmung geschützt.

Strahlung auf Materialien, insbesondere Alpha und Beta gegenüber Metallen, kann zu Isotopenveränderungen und / oder Spaltung führen (selbst bei normalerweise "nicht spaltbaren" Materialien); Im Laufe der Zeit kann dies zunehmend zu Änderungen der Leitfähigkeit, Sprödigkeit und Zugfestigkeit führen. Diese Änderungen sind besonders langsam, aber Teil der Überlegungen, die für RTGs und Kernreaktoren erforderlich sind.

Strahlung kann die Schaltung auch direkt beschädigen, indem sie Schaltungsbits (Partikel) entfernt oder Schaltkreise (EMF und Elektronenstrahlung) überlastet. Diese können abgeschirmt werden und sind im Allgemeinen vorhersehbar, unterliegen jedoch Schwankungen.

Das größte Problem bei der Strahlung besteht darin, dass Raumfahrzeuge mehrere Strahlungsquellen tragen - Antennen, RTGs und / oder Kernreaktoren - und so ausgelegt sein müssen, dass sowohl Onboard- als auch Offboard-Quellen berücksichtigt werden.

Materialauswahl

Nicht alle verwendeten Materialien sind langzeitstabil. Einige werden aufgrund ihrer Reaktivität ausgewählt - dies gilt für Reagenzien in chemischen Experimenten und für Brennstoffe - und andere aufgrund spezifischer Eigenschaften während der erwarteten Lebensdauer.

Beispiele für die Reaktivität nach Wahl sind Hydrazin für Triebwerke und Die vielen Chemieexperimente an verschiedenen Marslandern.

Beispiele für spezifische gewünschte Eigenschaften sind Dichtungsmaterialien an Kraftstoffsystemen - die Dichtungen sind ein Schwachpunkt und zerfallen im Laufe der Zeit, sind jedoch für ihre erwartete Dauer stabil genug. Die Dichtungen, die bei den NASA-SRBs verwendet werden, sind ein anderes Material als die Dichtungen beispielsweise bei einem Satz Druckgasventile oder bei einer ISS-Luftschleusentür.

Eine hundertjährige Mission?

Funkthermische Generatoren könnten wahrscheinlich so lange entwickelt werden, dass sie nützlich sind - vorausgesetzt, die Thermoelemente können im Flug ausgetauscht werden.

Nützliche Antriebssysteme werden aufgrund von Kraftstoffleckagen und der damit verbundenen inhärent äußerst begrenzt sein Probleme mit begrenztem Delta-V.

Mechanischer Verschleiß dieser Dauer ist ein Problem - moderne Materialien wurden für solche Dauern nicht ausreichend getestet, und semi-moderne Materialien haben selten die Haltbarkeit für diese Art von Dauer.

Eine Totfall-Zielsonde könnte leicht eine 100-jährige Mission durchführen - das heißt, eine Sonde, die lediglich ein Ziel für das Erkennen ist und keine aktiven Anforderungen erfüllt - mit Ausnahme von Stößen, aber mit zunehmender Dauer werden die Auswirkungen erheblich wahrscheinlicher.

Ebenso wird davon ausgegangen, dass die Pioneer 10- und 11-Missionen weiterhin in Betrieb sind, obwohl die Sonden selbst aufgrund geringer Leistung nicht reagieren können (vermutlich hauptsächlich aufgrund von Korrosionsverlusten in den Thermoelementen). Ein kleiner Teil ihrer Mission bestand darin, Scheinziele zu sein. Sie können mit der vorhandenen Teleskoptechnologie gefunden und somit ihre Position verfolgt werden, was die Fortsetzung ihrer Mission ermöglicht. Ihre aktiven Missionsphasen endeten jedoch in den 90er Jahren.

Referenzen

• http://www.nasaspaceflight.com/2013/09 / the-unknown-voyager-1-beginnt-interstellares-Weltraum-Abenteuer /
• http://en.wikipedia.org/wiki/Voyager_1

Mark Adler ist ein gutes Argument dafür, dass es sich um eine Finanzierungssache handelt, aber wie immer hat die Medaille zwei Seiten. Wenn wir es in Analogie bringen, wenn wir eine Jukebox bauen würden, die hundert Jahre lang spielen könnte, würden wir auch jemanden brauchen, der sie weiter füttert. Wenn es wirklich so langlebig wäre, würden Sie so viel Musik daraus machen, wie Sie Geld hineinwerfen würden. Aber Sie erhalten auch hundert Jahre Amortisation Ihrer Anfangsinvestition, und das ist eine Menge Groschen. Und das ist der andere Teil der Medaille. Wenn wir uns darauf einigen könnten, seine Musik hundert Jahre lang zu hören, würde es jeden reich machen, der sie gebaut hat. Von der Analogie abzuweichen, die in unserem Fall reich ist und viele, viele wertvolle wissenschaftliche Erkenntnisse mit einer einzigen Raumsonde bedeutet.

In wirtschaftlicher Hinsicht sollte dies eindeutig wünschenswert sein. Im politischen Sinne haben wir es ziemlich schnell satt, eine einzige Melodie zu hören (lesen Sie: Es wird andere Politiker geben, die Rechnungen dafür unterschreiben), daher sollte das Gerät für viele verschiedene Geschmäcker geeignet sein. Das heißt, es sollte einen Anreiz geben, eine politische Motivation dafür, die seine Finanzierung für ein Jahrhundert entschuldigen würde. Das ist wahrscheinlich schwieriger, als es so lange zu bauen. Aber wenn wir das schaffen und uns dafür entscheiden könnten, die anfänglichen Kosten für den Bau und den Start des Raumfahrzeugs in hundert Jahren zu amortisieren, würden wir eine unschätzbare Wissenschaft daraus machen und alle dafür entwickelten Spin-off-Technologien viel früher als das sogar.

Natürlich unter der Annahme, dass es so lange funktionieren würde. Und das allein wäre keine leichte Aufgabe. Wenn Sie sich von der Sonne entfernen, werden erneuerbare Energiequellen knapp und unmöglich (die Sonneneinstrahlung verringert sich mit einem umgekehrten Quadrat zur Entfernung von der Quelle), sodass Sie eine dauerhafte Stromversorgung einpacken müssen. Für die erste Etappe der Reise könnten Sonnenkollektoren verwendet werden, während die Sonnenstrahlung noch hoch ist, aber schließlich müssten Sie sich auf gespeicherte Energiequellen verlassen, z. B. RTGs. An diesem Punkt beginnen Sie, überschüssige Wärme zu erzeugen, sei es durch Batterieentladung, Radioisotopzerfall usw.

Ein Teil dieser Wärme könnte verwendet werden, um das Raumschiff selbst zu erwärmen und seine gesamte Ausrüstung in der Wärme zu halten Umschlag, für den es entworfen wurde. Und die Sonnenkollektoren könnten jetzt als überschüssige Wärmestrahler fungieren, aber Sie haben bereits ein weiteres Verbrauchsmaterial auf den Treibmitteln und produzieren jetzt lokale Wärmetaschen, die nicht einfach durch Drehen der Raumsonde wie zuvor in der Inneres Sonnensystem aufgrund der Nähe zu externen Strahlungsquellen (Ihre größte Sorge kommt jetzt von innen). Daher ist das gesamte Raumschiff aufgrund der Wärmeausdehnung einem Verschleiß ausgesetzt und nicht nur seinen beweglichen Teilen (die Sie möglicherweise weniger verwenden) häufig, um Schäden durch Betrieb zu reduzieren, aber diese Option ist für die Wärmeausdehnung nicht wirklich verfügbar).

Könnten diese Probleme behoben werden? Wahrscheinlich, aber die Gewährleistung eines hundertjährigen Betriebs ist eine große Aufgabe und würde entweder Fortschritte in der Materialwissenschaft erfordern, mit denen wir noch nicht vertraut sind, oder die Raumsonde müsste unter Berücksichtigung der Redundanz gebaut werden, von der aus gewechselt werden könnte Eine ausgefallene Komponente für eine funktionierende Komponente, während der Rest der Standby-Einheiten betriebsbereit bleibt, obwohl sie derselben unversöhnlichen Umgebung ausgesetzt sind. Wir könnten auch heute eine Raumsonde mit Blick auf Redundanz bauen, ohne größere Durchbrüche in der Materialwissenschaft (und anderen Bereichen), aber sie wäre schwer, schwer zu starten, würde noch mehr eigene Treibmittel verbrauchen und länger brauchen, um sie zu erreichen Orte von Interesse (dh was wir normalerweise als die Tyrannei der Raketengleichung bezeichnen) sind noch komplexer, da die Wahrscheinlichkeit, dass einzelne Teile ausfallen, erhöht ist (z. B. ein gutes Beispiel sind RAID-Festplatten-Arrays, die zwar Ihre Betriebslebensdauer könnte aufgrund von Redundanz verlängert werden, eine kürzere Lebenserwartung pro Einheit haben, nur um dasselbe Gehäuse zu teilen und somit mehr Wärme zu erzeugen. Vielleicht, was noch wichtiger ist, wären es im Wesentlichen viele Raumsonden, die ohne Vorteil in eine einzige gepackt werden über das einfache Starten vieler in verschiedene Richtungen, jede mit einem erwarteten Betrieb von 10 bis 20 Jahren. Und wenn mit einem oder mehreren von ihnen etwas Unvorhersehbares passiert, befanden sich andere während des Vorfalls in sicherer Entfernung und an einem anderen Ort.

Und das bringt mich zu dem Punkt, den ich ansprechen wollte. Obwohl es enorme Herausforderungen geben würde, könnten wir es wahrscheinlich tun, aber für die Investition könnten Sie einfach mehrere, einfachere und weniger haltbare Raumsonden haben, die spezialisierter auf die Ziele sind, die sie untersuchen würden, anstatt eine solche zu haben würde sie alle überleben, aber hundert Jahre alte wissenschaftliche Ausrüstung an Bord tragen. Eine Raumsonde, die hundert Jahre hält, hat einfach keinen Vorteil. Dies ist meiner Meinung nach die ultimative Grenze für die Lebensdauer einer Raumsonde. Unsere eigene Geduld damit.

Lassen Sie mich zusätzlich zu Geoffcs Antwort einige andere nennen.

• Batterien - Diese nutzen sich schließlich ab. Dies ist ein kleines Geschäft für LEO-Missionen, nicht so sehr für andere Missionen.
• Mechanischer Fehler - Reaktionsräder sind am häufigsten, man kann einfach nicht ewig drehen.

Intra-Sonnenreisen sind weitaus vorhersehbarer und weniger hart als Erdumlaufbahnen. Wir verfügen also über die Materialien und die Technologie, um etwas 100 Jahre überleben zu lassen. Das Problem ist die chemische Zersetzung der Stromversorgungssysteme, vor allem der Solaranlagen und Batterien. Natürlich brauchen wir Backup-Komponenten. Backups können jedoch das Problem des chemischen Abbaus nicht lösen, der vor Bereitstellung der Backups stattfindet. Der begrenzende Faktor ist daher, wie schnell sich die elektrischen Leistungskomponenten verschlechtern, wenn sie nicht verwendet werden.

Alle anderen Probleme sind lösbar, wenn man bedenkt, mit welchen Problemen Ingenieure bereits konfrontiert sind, die Internationale Raumstation 15 Jahre lang in der Luft zu halten und zu zählen

Thermische Überlegungen: durch Testen und Analyse gelöst. Bedenken Sie, dass die thermische Umgebung auf der Internationalen Raumstation weitaus komplizierter ist als eine unbemannte Intra-Sonnensonde, da sie alle 90 Minuten in das Sonnenlicht ein- und aus dem Sonnenlicht austritt. Die ISS hält auch Tage direkter Strahlung unter hohen Umlaufwinkeln aus. In menschlichen Wohnräumen ist eine thermische Abschirmung erforderlich, die viel schützender ist als die Abschirmung anorganischer Geräte innerhalb einer unbemannten Sonde. Große bewohnbare Module sind eng mit anderen großen Geräten gruppiert und werfen Schatten auf mechanische Verbindungen und andere Systeme, was zur Komplexität beiträgt. Unsere Sonde wäre um Größenordnungen kleiner und würde aufgrund der relativ statischen thermischen Umgebung viel weniger Analyse erfordern, um alle thermischen Fälle abzudecken.

Mechanische Überlegungen: durch Testen und Analyse gelöst. Die Lebensdauer der mechanischen Ausrüstung sollte nicht anhand der Betriebszeit gemessen werden. Es gibt einen Grund, warum wir den Wert eines Automobils anhand der Anzahl der zurückgelegten Kilometer und nicht anhand des Alters messen und dass „Autobahnmeilen“ als weniger belastend angesehen werden als „Stadtmeilen“. Das gleiche Konzept gilt für die Raumfahrt; Intra-Solar-Reisen stehen für "Autobahnmeilen", Planetenbahn "Stadtmeilen". Für eine mechanische Verbindung sind möglicherweise Zyklen mit "Grad gedreht" oder "Öffnen / Schließen" erforderlich. Diese Zahlen wären im Voraus bekannt, insbesondere für ein Gerät, das jahrelang träge über das Sonnensystem gleiten soll. Die ISS hat viele Drehgelenke, von denen zwei in den letzten Jahren alle 90 Minuten ~ 360 Grad gefahren sind. Grundsätzlich verfügen wir über die Technologie, um Mechanismen mit einer Lebensdauer von 100 Jahren zu erstellen.

Andere Umgebung durch Analyse gelöst: Vermeiden Sie Asteroidengürtel, und Sie werden wahrscheinlich in Ordnung sein. Es besteht ein gewisses Maß an Unsicherheit darüber, ob die Sonde von einem Asteroiden getroffen oder von Weltraummüll abgebaut wird, aber ich vermute, dass der Trümmerfluss im interplanetaren Raum viel geringer ist als in der niedrigen Erde Umlaufbahn, die derzeit von der ISS besetzt ist.

Wir können ein Objekt bauen, das 100 Jahre hält und durch den leeren Raum driftet. Dies scheint auf menschlicher Ebene eine lange Zeit zu sein, ist aber nichts in Bezug auf die gut verstandenen Materialien, die in Raumfahrzeugen verwendet werden. Die große Frage ist, was wir von der Sonde verlangen.

könnte dies mit der heutigen Technologie geschehen, wobei die Orbitalmechanik ignoriert und sich lediglich auf die Energieverwaltung und andere ähnliche Probleme konzentriert wird?

Ja. Es ist mehr eine Frage der Machbarkeit als der Möglichkeit. Sonnenkollektoren verschlechtern sich, Batters verringern ihre Entladungstiefe, Reaktionsräder benötigen Impulsverbrennungen, aber all diese Dinge geben lediglich die Anforderung an eine größere / höhere Leistung beim Start des Lebens an. Wenn wir zum Beispiel am Ende der Lebensdauer 5 W Leistung von den Solarmodulen benötigen und wissen, dass sich die Module jedes Jahr um 1% verschlechtern, werden sie bis zum Ende des Jahres mit (1-0,01) ^ 100 = 0,634 * Originalleistung betrieben Leben. Um den erforderlichen Start der Lebensleistung zu finden, können wir einfach 5 W / 0,634 = 7,88 W ausführen. Daher benötigen wir Sonnenkollektoren mit geeigneter Größe, um 7,88 W zu liefern. Keine dieser Zahlen ist jedoch wirklich angemessen, die Verschlechterung kann viel höher sein und der Leistungsbedarf ist wahrscheinlich auch viel höher.

Mechanisches Versagen ist eine andere Sache. Der typische Weg, um damit umzugehen, besteht darin, die Ausfallwahrscheinlichkeit zu berechnen und eine ausreichende Redundanz bereitzustellen, so dass die Wahrscheinlichkeit unter einem akzeptablen Schwellenwert liegt. Dies erhöht die Masse und die physische Größe des Raumfahrzeugs.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass es durchaus möglich ist, ein Raumfahrzeug für einen Zeitraum von 100 Jahren zu bauen. Es ist jedoch unwahrscheinlich, dass die Machbarkeit eines so großen Raumfahrzeugs günstig ist.

Ein letzter Punkt: Mit einer überwältigend präzisen Umlaufbahnmechanik könnten Sie ein Raumfahrzeug auf eine Flugbahn setzen, die ihm eine Tour durch das Sonnensystem und ermöglicht Bring es zurück auf die Erde. Dieses Raumschiff muss zu keinem Zeitpunkt dieser Reise oder des anschließenden Absturzes einsatzbereit sein. Dies erfüllt jedoch Ihre Anforderungen.

Voyager 1 und 2 sind beide seit 36 ​​Jahren in Betrieb. Ich glaube, sie sind unsere bislang langlebigsten Weltraummissionen. Sie sind immer noch in gutem Zustand. Ihre strahlenthermischen Stromerzeuger werden wahrscheinlich in weiteren zehn Jahren oder so ausfallen, aber ich sehe keinen fundamentalen Grund dafür, dass eine Voyager-ähnliche Sonde nicht mit einer Lebensdauer von 100 Jahren gebaut werden konnte. Mehr / größere RTGs würden länger dauern, würden jedoch das Gewicht des Fahrzeugs erhöhen, was durch Reduzierung der Sensornutzlast oder Verwendung eines größeren Trägers bezahlt werden müsste.