Разработка надежной электроники, способной выдерживать суровые условия на холодных планетных телах

Группа исследователей, спонсируемая НАСА, разработала электронику, способную надежно работать в суровых условиях радиации и температуры, характерных для далеких планетных тел, таких как Европа, океанический мир, вращающийся вокруг Юпитера. Эта новая технология может не только обеспечить работу автономных датчиков и роботов для исследования далёких океанических миров, но также поможет НАСА в достижении цели по созданию обитаемых аванпостов на Луне и Марсе, позволив электронным системам работать в холодных регионах с существенно сниженными требованиями к обогреву.

В Солнечной системе множество небесных тел предположительно содержат воду в виде льда, пара или жидкости на поверхности или под ней. К таким океаническим мирам относятся спутники планет: Европа и Ганимед у Юпитера, Энцелад и Титан у Сатурна; карликовая планета Плутон, а также кометы и Уран. Жидкая вода под ледяной корой океанических миров может дать важную информацию о происхождении нашей Солнечной системы и предоставить подсказки, которые помогут обнаружить жизнь в других местах Вселенной.

К сожалению, исследование этих мест крайне сложно. Условия на океанических мирах очень суровые: высокий уровень радиации (5 мрад ионизирующего излучения, что в 50 раз больше смертельной дозы для человека) и экстремально низкие температуры (–180 °C). Для миссий по исследованию таких объектов необходима электроника для сбора данных, управления и связи, способная работать в таких жёстких условиях. Особенно полезно было бы, если бы эти электронные системы могли функционировать не только на поверхности, но и под водой или в скважинах, пробуренных сквозь ледяные шапки. Кроме того, такие системы должны соответствовать очень жёстким требованиям по размеру, массе, энергопотреблению и стоимости (SWaP-C), чтобы их можно было включить в миссии к столь удалённым объектам. НАСА спонсирует перспективный проект по созданию необходимой электроники для исследования далёких океанических миров.

Группа исследователей из Технологического института Джорджии в Атланте под руководством профессора Джона Д. Кресслера, при содействии сотрудников Лаборатории реактивного движения НАСА в Южной Калифорнии и Университета Теннесси в Ноксвилле, работает над разработкой и демонстрацией надежной кремниево-германиевой (SiGe) электроники, способной выдерживать как интенсивное излучение, так и низкие температуры, характерные для океанических миров. Предыдущие миссии на Луну и Марс были вынуждены помещать свою электронику в защитные «тёплые боксы», чтобы оградить её от радиации и поддерживать температуры, близкие к земным. Однако для океанических миров такой подход неприемлем из-за очень жёстких ограничений по SWaP-C.

Для миссий к океаническим мирам электроника должна быть:

- доступной для производства частными подрядчиками;

- гибкой (поддерживать различные нужды: связь, измерительную аппаратуру, управление);

- высоко-интегрированной (поддерживать цифровые, аналоговые и радиочастотные (РЧ) функции в компактном форм-факторе);

- недорогой.

Эти электронные системы также должны обеспечивать улучшение показателей SWaP-C на порядок без необходимости использования энергоемкого, тяжелого и громоздкого теплозащитного бокса. Команда под руководством Технологического института Джорджии продемонстрировала, что технология на основе кремния и германия (SiGe) может удовлетворить эти потребности, обеспечивая надежную работу при температуре до -180?C с одновременным воздействием радиации до 5 Мрад. Однако эта технология SiGe требует доработки, прежде чем она станет коммерчески доступной.

Транзисторы являются фундаментальными строительными блоками электроники, обеспечивающими такие функции, как включение/выключение и усиление. Способность SiGe-транзисторов надежно и с более высокой скоростью работать при экстремально низких температурах является прямым следствием внутренней физики устройства. SiGe-транзисторы содержат наноразмерный сплав кремния с германием, который ускоряет движение электронов через транзистор при его включении и выключении, и этот эффект усиливается по мере снижения температуры, обеспечивая более быструю работу в холоде. Кроме того, поскольку физическая структура транзистора включает в себя сплав SiGe, части транзистора, которые обычно изготавливаются из из чувствительных к радиации оксидов (материалов, которые значительно деградируют при воздействии радиации), существенно уменьшены, что повышает общую радиационную стойкость устройства. В результате получается беспроигрышный вариант для работы SiGe-транзисторов при низких температурах в условиях высокой радиации, как это бывает на океанических мирах и в других экстремально холодных местах Солнечной системы.

Команда Кресслера разработала готовые к эксплуатации в океанических мирах транзисторные модели для проектирования электронных схем и использовала их для создания и тестирования аналоговых и радиочастотных электронных блоков SiGe, которые не требовали бы изоляции в термобоксе для работы в океанических мирах, что позволило бы уменьшить размер, вес и энергопотребление системы. Они использовали библиотеку компонентов (аналоговые, цифровые и радиочастотные схемные блоки) для создания прототипа интегральной схемы (ИС) в качестве доказательства концепции, подтвердив его уровень технологической готовности (TRL) 5/6 (т.е., проверка и демонстрация на Земле в среде, максимально приближенной к условиям океанического мира).

Важным этапом проекта стала разработка, проектирование и демонстрация энергоэффективного радиочастотного канала связи на основе SiGe-транзисторов X-диапазона (8-12 ГГц), размер которого составляет менее 10 мм? (смотрите второе изображение в правом нижнем углу), и который безупречно работает, передавая модулированные радиочастотные данные при температуре -180?C и одновременно подвергаясь облучению дозой 5 Мрад. Разработка и тестирование системы с такими уникальными возможностями ранее никогда не проводились. Этот тип радиочастотного канала связи на основе SiGe-транзисторов может обеспечить возможность выполнения миссий в океанических мирах, выступая в качестве электронного интерфейса передачи данных для распределённых сетей датчиков, посадочного модуля, орбитального аппарата, а также буровых установок ледяных шапок и подводных аппаратов.

Результаты проекта включают файлы с проектами библиотеки SiGe-компонентов и связанную с ней экосистему электронного проектирования (модели транзисторов, результаты испытаний, документацию, лучшие практики проектирования и тестирования и т.д.). Эти материалы доступны для повторного использования НАСА и могут быть напрямую внедрены в будущие миссии агентства. Новые SiGe-элементы могут удовлетворить самые разные электронные нужды миссий к океаническим мирам и других миссий, работающих в холодных условиях: системы связи, датчики, приборы, системы управления и т.д., всё это сможет работать автономно без какой-либо защиты.

Поскольку океанические миры представляют собой наихудший сценарий условий в Солнечной системе по сочетанию радиации и низких температур, SiGe-компоненты, разработанные в рамках этого проекта, имеют прямое и непосредственное применение на Луне, Марсе и даже на околоземной орбите. Например, для исследования Луны и будущего создания там человеческих поселений SiGe-электроника сможет работать автономно на лунной поверхности (где радиация умеренная, но температуры очень низкие), повышая возможности инфраструктуры и исследований. В частности, SiGe-радары и каналы связи смогут работать без защиты на лунном ровере во время ночных перемещений вблизи экватора, а также с уменьшенными требованиями к обогреву в постоянно затенённых кратерах Луны, тем самым значительно расширяя возможности миссий.

На изображениях:

- художественные изображения Европы, мира с океаном (слева), а также его океана с жидкой водой и ледяной шапки, где может существовать жизнь (справа);

- микрофотография SiGe-транзистора, полученная с помощью сканирующего электронного микроскопа, для использования на океанических мирах (слева), и пример прототипа SiGe-интегральной схемы (ИС) для океанических миров (справа). Эта SiGe-ИС построена из большого количества SiGe-транзисторов микронного размера (10?? м), что позволяет реализовать нужные функции, такие как связь, зондирование и управление. Вся SiGe-ИС имеет размеры 5x5 мм?, а в правом нижнем углу показана SiGe-радиочастотная линия связи X-диапазона (8-12 ГГц).

Источник: science.nasa.gov