Профессор Джон Д. Креслер из Школы электротехники и вычислительной техники (ECE) и его ученики десятилетиями работали с кремниево-германиевыми гетеропереходными биполярными транзисторами (SiGe HBTs) и обнаружили, что они обладают уникальными преимуществами в экстремальных условиях, таких как Европа.

"Благодаря тому, как они сделаны, эти устройства действительно выдерживают эти экстремальные условия без каких-либо изменений в самой базовой технологии", - сказал Креслер, который является исследователем проекта. "Вы можете построить его для того, что вы хотите, чтобы он делал на Земле, а затем вы можете использовать его в космосе".

Исследователи находятся на первом курсе трехлетнего гранта в рамках программы NASA Concepts for Ocean Worlds Life Detection Technology (ColdTech) по разработке электронной инфраструктуры для предстоящих миссий на поверхность Европы. НАСА планирует запустить Europa Clipper в 2024 году, орбитальный космический аппарат, который нанесет на карту океаны Европы, а затем, в конечном итоге, отправит посадочный аппарат Europa Lander, чтобы пробурить лед и исследовать его океан. Но все начинается с электроники, которая может функционировать в экстремальных условиях Европы.

Креслер и его ученики вместе с исследователями из Лаборатории реактивного движения НАСА (JPL) и Университета Теннесси (UT) продемонстрировали возможности SiGe HBTs для этой враждебной среды в документе, представленном на Конференция IEEE по воздействию ядерной и космической радиациив июле.

Вызов Европы

Как и Земля, Юпитер также имеет жидкометаллическое ядро, которое генерирует магнитное поле, создавая радиационные пояса из высокоэнергетических протонов и электронов от падающего солнечного ветра. К сожалению, будучи спутником Юпитера, Европа находится прямо в этих радиационных поясах. По сути, любая технология, разработанная для поверхности Европы, должна была бы выдерживать не только низкие температуры, но и самую сильную радиацию, встречающуюся в Солнечной системе.

К счастью, SiGe HBT идеально подходят для этой враждебной среды. SiGe HBT вводит наноразмерный сплав Si-Ge внутри типичного биполярного транзистора для наноинженерии его свойств, эффективно создавая гораздо более быстрый транзистор при сохранении экономии масштаба и низкой стоимости традиционных кремниевых транзисторов. SiGe HBT обладают уникальной способностью сохранять работоспособность при экстремальном воздействии радиации, и их свойства естественным образом улучшаются при более низких температурах. Такое уникальное сочетание делает их идеальными кандидатами для исследования Европы.

"Это не просто изучение фундаментальной науки и доказательство того, что SiGe работает", - сказал Креслер. "На самом деле это разработка электроники для НАСА для использования на Европе. Мы знаем, что SiGe может выдержать высокие уровни радиации. И мы знаем, что он остается функциональным при низких температурах. Чего мы не знали, так это того, может ли он выполнять и то, и другое одновременно, что необходимо для миссий на поверхности Европы ".

Тестирование транзисторов

Чтобы ответить на этот вопрос, исследователи GT использовали Dynamitron от JPL, машину, которая выпускает электроны с высоким потоком при очень низких температурах, для тестирования SiGe в средах европейского типа. Они подвергли SiGe HBTs воздействию одного миллиона вольт-электронов с дозой облучения в пять миллионов рад (200-400 рад смертельно для человека) при 300, 200 и 115 Кельвинах (-160 по Цельсию).

"Чего никогда не было сделано, так это использования электроники, как мы сделали в том эксперименте", - сказал Креслер. "Итак, мы работали буквально в течение первого года, чтобы получить результаты, приведенные в этой статье, которые, по сути, являются окончательным доказательством того, что то, что мы утверждали, на самом деле верно - что SiGe действительно выдерживает условия на поверхности Европы".

В ближайшие два года исследователи GT и UT разработают реальные схемы из SiGe, которые можно было бы использовать на Europa, такие как радиоприемники и микроконтроллеры. Что еще более важно, эти устройства затем можно было бы беспрепятственно использовать практически в любой космической среде, в том числе на Луне и Марсе.

"Если Европа - наихудшая среда в Солнечной системе, и вы можете построить их для работы на Европе, тогда они будут работать где угодно", - сказал Креслер. "Это исследование объединяет прошлые исследования, которые мы проводили в моей команде здесь, в Georgia Tech, в течение длительного времени, и показывает действительно интересные и новые приложения этих технологий. Мы гордимся тем, что используем наши исследования для открытия новых инновационных возможностей и тем самым создаем возможности для новых применений".

Видео: https://youtu.be/hKr6uh4k-7g