Ya hay un montón de buenas respuestas por encima, pero no he visto ninguna que incluya alguna experiencia de los dominios que más se ocupan de su problema, así que aquí están mis dos centavos.
Soy diseñador de mecanismos para satélites, especialista local en electrónica dentro del equipo. He participado en una misión muy conocida que dependía de un rover marciano, y tuvimos que hacer frente a estos problemas con temperaturas extremas.
No puedo hablar en nombre de los que diseñaron la Supercam, pero en Marte, al igual que en órbita, el "calentamiento" no es una especie de parche en caso de que el ambiente sea demasiado frío: es la línea de base. Sólo se aíslan los componentes que no pueden calentarse en absoluto a temperaturas dentro de su rango de temperaturas operativas de los que sí lo hacen, y se refrigeran adecuadamente de forma pasiva (preferentemente) o activa. La razón es que la refrigeración es mucho más complicada que la calefacción (que sólo requiere bucles de control de calentadores), especialmente para la refrigeración activa (que básicamente requiere frigoríficos de alta tecnología con tubos de calor especiales + fluidos). Así que, en general, la temperatura de toda la electrónica se calienta directa o indirectamente, a menos que se requiera específicamente que no lo haga, por ejemplo, para los frontales de imágenes infrarrojas.
Por lo tanto, para la mayoría de los productos electrónicos, el problema radica más bien en la temperatura no operativa. Tuvimos que cambiar de un sensor de posición integrado basado en la electrónica a un sensor de posición electromecánico adquirido por un sistema de adquisición electrónica situado más al interior del rover debido a esto: el componente que queríamos utilizar sólo bajaba hasta -55°C y el fabricante no recomendaba iniciar una campaña de cualificación para probar su supervivencia hasta -130°C (que, creo recordar, era la temperatura más fría medida en Marte más -15°C de margen de cualificación, véase la figura de abajo para el esquema de márgenes según las normas ECSS [más adelante sobre esto]). Por lo general, esta cuestión es difícil de abordar porque todos los equipos de la plataforma y de la carga útil se apagan antes de la puesta en marcha en funcionamiento (excepto las comprobaciones de salud esporádicas) para ahorrar energía mientras la generación de energía aún no está encendida (paneles solares desplegados y seguimiento, generador de radioisótopos encendido, etc.).
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En su caso, no creo que tenga estas restricciones, por lo que su sistema de control de la temperatura puede estar activado desde el principio del vuelo. Sólo tienes que hacer un análisis térmico adecuado (tan preciso como puedas con lo que tienes, por supuesto) para estimar la potencia necesaria para calentar tus componentes a temperaturas soportables, considerando todas las trayectorias radiativas (desde el albedo de la Tierra, la temperatura del cuerpo negro del espacio profundo y los gradientes de temperatura en el propio globo), convectivas (dependiendo de lo que entiendas por altitud muy elevada) y conductivas (en tu globo). Cuanto más se utilice pintura o superficies altamente reflectantes o emisivas, más se necesitará calefacción, pero menos se calentará durante los casos de calor. Para los componentes de mecanismos no pintados en órbita geoestacionaria, suele ser suficiente una media de 5-10W por zona crítica, por ejemplo. El rango de la temperatura en el propio satélite es en realidad mucho más estrecho de lo que podríamos pensar, gracias a las interfaces conductoras que promedian el flujo de calor de todas las caras - por lo que es donde se encuentra la mayor parte de la electrónica. Aquí hay un ejemplo de modelado de análisis de elementos finitos en un satélite cualquiera que encontré en la web, pero se puede llegar a unos resultados bastante precisos utilizando el modelado de redes térmicas como modelos eléctricos equivalentes (utilizando resistencias térmicas, condensadores de calor específico, fuentes de tensión para los límites de temperatura y fuentes de corriente para la inyección de energía).
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En pocas palabras:
- Hay que partir de la base de que un componente no puede utilizarse a una temperatura que esté fuera de sus rangos de no funcionamiento y de funcionamiento, a menos que se esté dispuesto a probarlo a fondo (en el marco de alguna campaña de "cualificación") a las temperaturas extremas requeridas, con algunos márgenes. En el caso de los componentes que no son sencillos, será necesario definir, en colaboración con el fabricante, las pruebas necesarias, las secuencias y las condiciones de las pruebas, para garantizar que la campaña de cualificación demuestre realmente la conformidad del componente con las temperaturas deseadas (algunas cuestiones pueden no ser comprendidas por el usuario, o algunas otras pueden surgir al azar).
- No hay que descuidar los análisis térmicos, por muy burdos que sean. Coloque sus componentes en función de los resultados e itere, de modo que consiga cumplir con todos los rangos de temperatura operativos y no operativos de forma pasiva en la medida de lo posible (utilizando revestimientos y pinturas si es necesario). Favorezca el exceso de frío sobre el de calor: coloque calefactores siempre que sea necesario y donde sea más eficaz, y diseñe el sistema de control de la temperatura en función del análisis térmico.
Tenga en cuenta que si los proveedores de componentes siguen las mismas normas (habría que comprobar la norma MIL-STD asociada para estar seguros), si la temperatura nominal es de -55°C op, significa que al menos una unidad llegó hasta -70°C, lo que para la electrónica no está realmente lejos de -80°C (para los mecanismos, la expansión térmica podría comerse un hueco y atascarse bien dentro de +/-10°C). Sin embargo, hay que tener en cuenta que, por regla general, la vida útil y la fiabilidad de los componentes electrónicos se reducen a la mitad cada 10 °C en caso de calor, por lo que es de esperar que también sean similares en frío, y que habrá que reevaluar todo tipo de parámetros que se hayan comprobado antes de seleccionar el componente teniendo en cuenta su sensibilidad a la temperatura. En general, todo esto no merece la pena en comparación con el calentamiento.
Para obtener más información sobre las directrices específicas del ámbito espacial, busque las normas ECSS, que son las que debemos cumplir cuando trabajamos para la Agencia Espacial Europea y, en general, para cualquier cliente europeo. Me vienen a la mente las normas ECSS-E-HB-31-01, ECSS-E-HB-31-03 y ECSS-E-ST-31C.
