Sind Raumsonden mit Gas gefüllt?

Hallo

Bei der Beschreibung vom sowjetischen Mondrover Lunochod las ich, das er mit Stickstoff gefüllt war welcher von einem Ventilator bewegt wurde um die Temperatur konstant zu halten. Die Wärme kam von einer Radionuklidbatterie.
Bei anderen Raumfahrzeugen fand ich leider keine Informationen dazu.

Sind Raumfahrzeuge (sowohl solche die frei im Weltraum fliegen als auch solche die auf der Oberfläche anderer Himmelskörper arbeiten oder gar fahren) üblicherweise mit Gas gefüllt oder ist das innere der Athmoshäre bzw dem Vakuum ausgesetzt?

Ich rede natürlich über unbemannte Geräte wo nur die Elektronik und die Messgeräte geschützt werden müssen.
Die sowjetische Lösung klingt mir sehr einfach und effektiv.

Nein, nur die Sowjets haben das so gemacht. Alle anderen haben ein besseres Thermalmagement System

Was meinst du mit besseres thermal Management?
Peltier Elemente? (meines Wissens das einzige was kühlen und heizen kann, nur Strom braucht und keine beweglichen Teile hat)

Raumfahzeuge bestehen größtenteils aus Metall.
Metalle haben eine gute Wärmeleitfähigkeit (= alles hat schnell die selbe Temperatur ) und eine geringe Wärmekapazität (= heizt sich schnell auf und kühlt schnell ab). Das kann man gut sehen wenn einen Metallöffel und einen Holzlöffel in heißes Wasser hält.
Angesichts der gigantischen Temperaturunterschiede im Weltraum oder auf Mond und Mars klingt ein Wärmepuffer (etwas das sich langsam erwärmt oder abkühlt) nach einer guten Idee.

Re: besseres Thermalmanagement :
es gibt grundsätzlich drei verschiedene Prozesse zur Regulierung eines Wärmetransports (zur Kühlung oder Heizung):
 - Konvektion (Zirkulation eines Mediums wie Gas oder Flüssigkeit)
 - Wärmeleitung (hohes oder niedriges Wärmeleitvermögen von Materialien)
 - Wärmestrahlung (hohes oder niedriges Absorptionsvermögen für solare oder thermische Strahlung; hohes oder niedriges Emissionsvermögen für thermische Strahlung.
Raumsonden nutzen i.d.R. die beiden letzten Prozesse zur Thermalkontrolle (Metalle wie Aluminium oder Kupfer (für cold straps) für hohes Wärmeleitvermögen, GFK oder Glas als Beispiele für niedriges Wärmeleitvermögen; Wärmeabstrahlung hoch bei Materialien mit hohem Infrarot-Emissionsvermögen und niedrigem Absorptionsvermögen für solare Einstrahlung zB Second Surface Mirror-Materialien. Zusätzlich kann man die Geometrie der Raumwinkel, in die diese Oberflächen abstrahlen können, beeinflussen (Beispiel louvers/Jalusien bzw Baffles)
Mit solchen Massnahmen kann man Raumsonden sowohl in sehr heissen Umgebungen (Beispiel Parker Solar Probe) als auch in sehr kalten Umgebungen (Beispiel Voyager-Sonden weit weg von der Sonne) erfolgreich betreiben.

@failsafe: Mega vielen Dank für Deine immer bestens fundierten Beiträge hier, und dieser Dank ist nur stellvertretend für alle anderen von Deinen wertvollen Posts!

Die Bordelektronik von sowjetischen Raumflugkörper befand sich in einen Behälter der unter Gas (Stickstoff) stand. MIt den Gas war es einfacher eine bestimmte Tempertaur zu halten, Sputnik-1 war auch so aufgebaut.
Jetzt traten immer Probleme auf weil es zu einer Dekompression des Behälters kam, wodurch die Eletronik den Vakkum ausgesetzt war und dadurch ausgefallen ist und zum Verlust des Satelliten bzw. Sonde kam.
Als Beispiel fällt mir Zond-6 ein. https://de.wikipedia.org/wiki/Zond

In der Tat ist oder war es eine Herausforderung für Raumfahrtechniker aus Russland, Satelliten ohne thermisierten Apparaatcontainer zu bauen. Die Abdichtung von Leitungs- und Rohrdurchführungen ist potentiell immer eine Quelle van problemen.

Die Bordelektronik von sowjetischen Raumflugkörper befand sich in einen Behälter der unter Gas (Stickstoff) stand. MIt den Gas war es einfacher eine bestimmte Tempertaur zu halten, Sputnik-1 war auch so aufgebaut.
...

Fehlt in der Darstellung noch etwas? Wie haben sie denn das "Gas auf Temperatur gehalten"? Im Inneren wäre das Gas erstmal nur eine Wärmesenke (mit sehr begrenzter Kapazität), und so eine gewisse "Wärmeträgheit" im System zu haben. Die Wärme muss nach außen abgeführt werden. Oder ging es bei den Sputniks dann darum, über das Gas eine Wärmeübertragung zwischen innerer Elektronik und Außenhülle herzustellen, damit dort die Wärme abgestrahlt werden kann?

Im Gas in Schwerelosigkeit/Mikrogravitation kann sich aber keine effektive Konvektion ausbilden. Wäre das Prinzip im Innenraum dann nur Wärmeleitung durch das Gas gewesen?

Vielen Dank für eure Antworten

@Failsafe: Danke für die ausführliche Antwort.
Ich hatte die Grundlagen der Thermodynamik im Studium, allerdings hatte ich nichts mit Weltraumtechnik zu tun.
Das heißt man ging im allgemeinen davon aus das das betrachtete System von unendlich viel Luft mit Raumtemperatur umgeben ist.

Ich ging daher von folgenden Annahmen aus:
- Der Weltraum ist ein sehr guter Isolator da 2 von 3 Wegen des Wärmetransports nicht funktionieren. Wegen des Vakuums gibt es keine Diffusion und Konvektion um Wärme aufzunehmen oder abzugeben. Also kann Wärme nur durch Strahlung transportiert werden. Die Strahlenbelastung im Weltraum ist sehr hoch und stark schwankend, zum Beispiel große Unterschiede zwischen Licht und Schattenseite.
- Die Elektronik sollte eine konstante Temperatur haben und vor energiereicher Strahlung geschützt sein. Ich gehe davon aus das sich das Raumfahrzeug im thermischen Gleichgewicht befindet und das seine Wärmeabgebe kontinuierlich und proportional zur Temperatur erfolgt.

Meine Schlussfolgerungen:
- Die Temperatur wird hauptsächlich vom Verhältnis Strahlungsaufnahme zu Strahlungsabgebe bestimmt.
- Die Strahlenbelastung schwankt stark, die Strahlungsabgebe ist relativ gleichmäßig
- Daher sollte das Raumfahrzeug eine hohe Wärmekapazität haben um Strahlungsschwankungen abzupuffern und dann kann es diese Wärme gleichmäßig abgeben.
- Ich vermute des Elektronik in Schutzgas Atmosphäre besser vor Temperaturschwankungen und Stahlungsbelastung geschützt ist als solche im Vakuum.

Das sind die naiven Vermutungen von jemandem, der physikalische Technik studiert hat aber absolut nichts mit Weltraumtechnik zu tun hat.


Zur Ausgangsfrage:
Anscheinend haben das nur die Sowjets so gemacht.
Bei allem anderen (z.B. von Voyager bis Perceverance) ist die Elektronik zwar hinter einer Abdeckung (zum Schutz vor Strahlung oder Staub), aber diese Abdeckung ist nicht gasdicht oder gar mit Schutzgas gefüllt.
Habe ich das so richtig verstanden?


@Schillrich:
Im Inneren war ein Ventilator um das Gas zu bewegen da Konvektion im Weltraum nicht geht.
Das Gas sollte die Temperatur im Inneren gleichmäßiger halten um die extremen Temperaturunterschiede zwischen Licht und Schatten auszugleichen.
Der Wert der Temperatur hing nur von (Strahlungsaufnahme + Wärmequellen im inneren vs Strahlungsabgabe) ab.

Zusatzfrage:
Sind Raumsonden um so dunkler je weiter sie von der Sonne weg sind?

Wenn ich die Ausführungen von Failsafe richtig verstehe sollte eine Raumsonde nahe der Sonne möglichst reflektierend sein während eine im äußeren Sonnensystem möglichst viel Strahlung absorbieren sollte.

Transparente Raumsonden gibt es meines Wissens nach nicht. Das würde die Ablenkung durch Strahlungsdruck reduzieren.

@Madscientist:
man schützt die Raumsonden vor starken Variationen der Einstrahlung, indem man sie in eine Superisolation (MLI=MultiLayerInsulation) einpackt, die typisch aus etwa 20 Lagen sehr dünner metallisierter Kunststoff-Folien besteht, wobei der Strahlungsaustausch durch den Folienstapel stark behindert ist und die Wärmeleitung dadurch minimiert wird, dass zwischen den Folienlagen jeweils ein Abstandhalter (Spacer) in Form einer sehr leichten Kunststoff"gardine" eingelegt wird, so dass die Folien keinen Wärmekontakt haben können.
Dadurch wird das Innere der Raumsonde von Änderungen der äusseren Strahlungsumgebung weitgehend entkoppelt. Man hat dann noch das Problem, dass im Inneren ja Elektronik Verlustwärme produziert, die geeignet abgeführt und abgestrahlt werden muss, um  stabile Verhältnisse zu erhalten.
Beispiel aus der Praxis: Sonnensonde SOHO, stationiert in einem Halo-Orbit um den L1(S-E), Abstand zur Sonne 0,99 AU, permanent zur Sonne ausgerichtet. Instrument SUMER (EUV-Spektrometer) mit isoliert befestigter Frontplatte aus poliertem Aluminium, selektiv beschichtet mit einer speziellen Quarzbedampfung von Balzers, so dass das Verhältnis von solarer Absorption (alpha-s) zu thermischer Abstrahlung (epsilon-h) gerade 0,3 beträgt - dadurch ist die Gleichgewichtstemperatur der (voll der Sonne ausgesetzten) Frontplatte gerade 20 Grad C, wie die Solltemperatur von SUMER. Das gesamte Instrument ist eingepackt in 20 Lagen MLI aus aluminisierten Mylar-Folien, die vorher gecrinkelt (geknautscht) wurden und sich so nur punktweise berühren, auch ohne Spacer-Gewebe. Die innere Dissipation des Instruments (der Sonneneinstrahlung ausgesetzter Primärspiegel aus SiC auf etwa +80 Grad C und die Verlustwärme der beiden elektronischen Detektoren) wird über zwei kleine Aluminium-Radiatoren ausserhalb der MLI zur Seite in den Weltraum abgestrahlt.
Das Instrument funktioniert nur im Ultrahochvakuum des Weltraums; eine "Luftfüllung" würde die zu beobachtende EUV-Strahlung absorbieren.

@Failsafe:
Vielen Dank für deine ausführliche Antwort.

Ich arbeite in einem Physik Institut und wir haben einen Helium Mischkryostaten.
Vereinfacht gesagt, ein Kühlschrank der Proben auf ein paar Millikelvin abkühlt. Kühlmittel ist Helium weil dies als einzige Substanz am absoluten Nullpunkt noch flüssig ist. Man kann Eis schlecht durch einen Kühlkreislauf pumpen. Warum eine Mischung aus Helium 3 und 4 so kalt wird würde einen Grundkurs in Quantenphysik erfordern.
Zur Isolierung sind mehrere Vakuumkammern ineinander gestapelt und wir haben auch diese reflektierende Folien.
Ich kann deine Erklärung also sehr gut verstehen.

Zwischen unserem Gerät und einer Raumsonde bestehen aber ein paar große Unterschiede:
- Unser Gerät ist von Luft umgeben und wir müssen für das Vakuum pumpen. Allerdings müssen wir ein bisschen Gas reinlassen. Im guten Vakuum ist die Isolierung so gut das wir Wärme weder rein noch raus bekommen, man könnte es also gar nicht abkühlen.
- Unser Gerät ist weder Strahlung noch Temperaturschwankungen von außen ausgesetzt.
- Zur Kühlung braucht man einen großen Kompressor der viel Strom und eine Wasserkühlung braucht.

Aus meiner Arbeit weis ich das Vakuum ein verdammt guter Isolator ist.
Aus der Literatur weis ich im Weltraum Strahlenbelastung und Temperaturunterschiede sehr groß und schwankend sind.
Was das das in der praktischen Umsetzung bedeutet konnte ich aber nicht einfach sagen.
Meine spontane Idee war, das sich Technik von der Erde am besten in einer Atmosphäre wie auf der Erde fühlt.
Das die Sowjets (die den ersten Satelliten und den ersten Rover bauten) die selbe Idee hatten und es funktioniert hat zeigt möglicherweise das ich nicht der größte Idiot bin.

Die Herausforderung durch eine Vakuumumgebung ist für die Elektronik eine andere (nicht die Wärme, das bekommt man durch Thermalmanagement gut in den Griff): Materialverhalten.
Hier gibt es eine erste Übersicht: https://en.wikipedia.org/wiki/Materials_for_use_in_vacuum

Es gibt "outgassing", "whisker growth", "corrosion", ... was es so unter "ambient"-Bedingungen auf der Erde nicht gibt. Das kann dir u.a. Kurzschlüsse in der Elektronik erzeugen.

Hallo,

eine kleine Ergänzung. Natürlich kann man zum Wärmetransport innerhalb von Satelliten Konvektion einsetzen, nur nicht die "natürliche", die Gravitation voraussetzt. Es gibt aber auch die "erzwungene" mittels Ventilator (macht fast jeder Desktop-PC). In der sowjetischen Raumfahrt hat man das, beginnend mit Sputnik 1, lange so gemacht. Es geht natürlich schief, wenn der Raumflugkörper undicht wird (Venus 1). Der Wärmetransport vom Satellit weg geht natürlich nur über Strahlung. Dazu haben viele Satelliten extra Radiatoren, am besten zu sehen an der ISS und am Shuttle (im Inneren der Klappen für die Ladebucht). Von der Elektronik hin zum Radiator wird auch Konvektion benutzt, allerdings mit Flüssigkeiten (gibt es in etlichen PCs auch). Ein weiteres Wärmetransportmittel innerhalb von Satelliten wären sogenannte Heatpipes, die ohne bewegte Teile auskommen.

MfG Karl-Heinz

Noch eine Technologie im Inneren sind Thermal-Straps/Wärmeleitbänder, um Bauteile thermisch zuverbinden und Wärmeströme gezielt zu führen, ohne Fluide.

Die Herausforderung durch eine Vakuumumgebung ist für die Elektronik eine andere (nicht die Wärme, das bekommt man durch Thermalmanagement gut in den Griff): Materialverhalten.
Hier gibt es eine erste Übersicht: https://en.wikipedia.org/wiki/Materials_for_use_in_vacuum

Es gibt "outgassing", "whisker growth", "corrosion", ... was es so unter "ambient"-Bedingungen auf der Erde nicht gibt. Das kann dir u.a. Kurzschlüsse in der Elektronik erzeugen.

Danke

Mit ein paar dieser Probleme haben wir auch in unserem Labor zu kämpfen.

- Ausgasen sollte im Weltraum kein Problem sein außer für sehr empfindliche Spektrometer (Man misst sein eigenes Gas statt die Atmosphäre ferner Sterne oder Planeten). Ansonsten gibt man halt eine winzige Menge Gas in den Weltraum ab. Was solls, der Antrieb erzeugt viel mehr Abgas.

- Gegen Kurzschlüsse wäre meine natürliche Reaktion die Elektronik in eine Atmosphäre aus Schwefelhexaflouorid zu packen. Man müsste nur sicher stellen das die Temperatur über -50°C bleibt. ( Im Weltraum womöglich ein Problem.) Es ist ein extrem starkes Treibhausgas, aber man verwendet nur geringe Mengen und wenn es außerhalb der Atmosphäre entweicht sollte dies kein großes Problem sein. (außer für empfindliche Spektrometer, aber das Problem hatte man schon bei der Stickstoff Füllung)

Hab arbeitsbedingt auch mit Vakuum zu tun und im Endeffekt kannst auf der Erde ein Vakuum nicht erhalten wenn nicht irgendein Bauteil die einströmenden Gasatome wieder einfängt oder abpumpt.
Umgekehrt im Weltraum stelle ich es mir ähnlich schwierig vor (und die obigen Posts deuten das ja an) einen gasgefüllten Behälter auf Dauer bedrückt zu halten, es läuft also auf die Zeitfrage hinaus wie lange das funktionieren muss. Aber da keiner mehr mit bedrückten Elektronikboxen um die Erde kreist und weiter raus fliegt, sind die Nachteile dieser Technik wohl zu groß.