NASA studerer rumapplikationer for GaN-krystaller

Et eksotisk materiale, der er klar til at blive den foretrukne halvleder for kraftelektronik - fordi det er langt mere effektivt end silicium - bliver nu kigget efter potentielle anvendelser i rummet.

To NASA-hold undersøger brugen af ​​galliumnitrid, en krystal-type halvlederforbindelse først opdaget i 1980'erne, og bruges i øjeblikket i forbrugerelektronik såsom laserdioder i dvd-læsere. Blandt dens mange egenskaber, galliumnitrid - GaN, kort sagt - viser mindre elektrisk modstand og mister således kun en lille del af strøm som varme. Materialet kan håndtere 10 gange den elektriske strøm af silicium, muliggør mindre, hurtigere, og mere effektive enheder. Ud over, det er tolerant over for en lang række temperaturer, modstandsdygtig over for stråling, og som det viser sig, dygtig til at detektere energiske partikler.

Det er da ikke underligt, at videnskabsmænd og ingeniører ved NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, er interesserede i at se, hvordan de kunne udnytte dette alsidige materiale for at forbedre udforskningen af ​​rummet.

Med deres finansiering, ingeniør Jean-Marie Lauenstein og videnskabsmand Elizabeth MacDonald undersøger gallium-nitrid transistorer med høj elektronmobilitet, eller GaN HEMT'er, til brug for at studere, hvordan Jordens magnetosfære kobles til sin ionosfære - et nøglespørgsmål inden for heliofysik, som blandt andet studerer de kræfter, der driver forandringer i vores rummiljø. Stanley Hunter og Georgia de Nolfo, i mellemtiden, undersøger materialets anvendelse på en solid-state neutrondetektor, der er relevant for både videnskab og hjemland.

Gallium-nitrid transistorer

Gallium-nitrid transistorer eller halvledere blev kommercielt tilgængelige i 2010, men de har endnu ikke fundet vej til rumforskeres instrumenter, på trods af deres potentiale til at reducere et instruments størrelse, vægt, og strømforbrug. Det er der en grund til, sagde Lauenstein. Selvom galliumnitrid forudsiges at være modstandsdygtigt over for mange typer strålingsskader, man støder på i rummet, hverken NASA eller det amerikanske militær har etableret standarder, der karakteriserer ydeevnen af ​​disse transistoraktiverede enheder, når de udsættes for ekstrem stråling i rummet.

Når de bliver ramt af galaktiske kosmiske stråler eller andre energiske partikler, elektronisk udstyr kan opleve katastrofale eller forbigående enkeltbegivenheder. "Vi har standarder for silicium, " sagde Lauenstein. "Vi ved ikke, om metoderne til siliciumtransistorer ville gælde for galliumnitridtransistorer. Med silicium, vi kan vurdere tærsklen for fiasko."

Med finansieringen, Lauenstein og MacDonald arbejder sammen med Los Alamos National Laboratory i New Mexico, en producent af dele, og NASAs elektroniske dele og emballage for at etablere kriterier, der sikrer, at en GaNs-type enhed kunne modstå virkningerne af potentielt skadelige partikler produceret af galaktiske kosmiske stråler og andre kilder.

Materialet kan være nyttigt i elektronstråleacceleratorer – bestående af gallium-nitrid-transistorer – bygget til at kortlægge specifikke magnetiske linjer i Jordens beskyttende magnetosfære til deres fodspor i Jordens ionosfære, hvor nordlys forekommer – og hjælpe med at vise, hvordan de to områder i rummet nær Jorden forbinde.

"Holdets forskning i strålingstolerance hjælper os med at forstå, hvordan man flyver disse acceleratorer i det barske rummiljø i løbet af missionens levetid, " sagde MacDonald.

Ifølge Lauenstein, disse standarder vil også gavne andre videnskabelige discipliner. "Vi har brug for en vej frem for denne teknologi, " sagde hun "Dette åbner døren for andre til at inkorporere denne teknologi i deres egne missioner."

Potentielt "Game Changing"

For de Nolfo og Hunter, galliumnitrid tilbyder en potentiel løsning til at bygge en detektor og billeddannende neutroner, som er kortvarige og typisk udløber efter cirka 15 minutter. Neutroner kan genereres af energiske begivenheder i Solen såvel som kosmiske stråleinteraktioner med Jordens øvre atmosfære. De neutroner, der genereres af kosmiske stråler i atmosfæren, kan føje til Jordens strålingsbælte - en strålingsprøve, der omgiver Jorden, som blandt andet kan forstyrre indbygget satellitelektronik - når de henfalder. Forskere har opdaget, at GaN kan danne grundlag for en meget følsom neutrondetektor.

"Gallium-nitrid-krystallen kunne være spilskiftende for os, " sagde de Nolfo.

Under deres koncept, Hunter og de Nolfo ville placere en galliumnitridkrystal inde i et instrument. Da neutroner kom ind i krystallen, de spreder gallium- og nitrogenatomer og, i processen, excitere andre atomer, som derefter frembringer et lysglimt, der afslører positionen af ​​neutronen, der startede reaktionen. Silicium fotomultiplikatorer knyttet til krystallen omdanner lysglimt til en elektrisk impuls, der skal analyseres af sensorelektronikken.

"Galliumnitrid er rimeligt velkendt i fotoelektronikindustrien, men jeg tror, ​​vi skubber lidt på konvolutten med denne ansøgning, " Hunter sagde, tilføjer, at det smukke ved konceptet er, at det ikke ville indeholde bevægelige dele, bruge lidt strøm, og arbejde i et vakuum. Hvis det virker, instrumentet ville gavne forskellige rumvidenskabelige discipliner og militæret ved påvisning af nukleart materiale, han tilføjede.