Udforske Europa muligt med silicium-germanium-transistorteknologi

Europa er mere end blot en af ​​Jupiters mange måner – det er også et af de mest lovende steder i solsystemet at lede efter udenjordisk liv. Under 10 kilometer is er et flydende vandhav, der kunne opretholde liv. Men med overfladetemperaturer på -180 Celsius og med ekstreme strålingsniveauer er det også et af de mest ugæstfrie steder i solsystemet. At udforske Europa kan være muligt i de kommende år takket være nye applikationer til forskning i silicium-germanium transistorteknologi ved Georgia Tech.

Regents' professor John D. Cressler fra School of Electrical and Computer Engineering (ECE) og hans studerende har arbejdet med silicium-germanium heterojunction bipolære transistorer (SiGe HBT'er) i årtier og har fundet ud af, at de har unikke fordele i ekstreme miljøer som Europa. .

"På grund af den måde, de er lavet på, overlever disse enheder faktisk de ekstreme forhold uden nogen ændringer i selve den underliggende teknologi," sagde Cressler, som er projektets efterforsker. "Du kan bygge den til det, du vil have den til at gøre på Jorden, og så kan du bruge den i rummet."

Forskerne er i år et af en tre-årig bevilling i NASA Concepts for Ocean Worlds Life Detection Technology (COLDTech)-programmet til at designe elektronikinfrastrukturen til kommende Europa-overflademissioner. NASA planlægger at opsende Europa Clipper i 2024, et kredsende rumfartøj, der vil kortlægge Europas oceaner, og derefter sende et landende køretøj, Europa Lander, for at bore gennem isen og udforske dets hav. Men det hele starter med elektronik, der kan fungere i Europas ekstreme miljø.

Cressler og hans studerende demonstrerede sammen med forskere fra NASA Jet Propulsion Lab (JPL) og University of Tennessee (UT) SiGe HBT'ers evner til dette fjendtlige miljø i en artikel præsenteret på IEEE Nuclear and Space Radiation Effects Konference i juli.

Europas udfordring

Ligesom Jorden har Jupiter også en flydende metalkerne, der genererer et magnetfelt, der producerer strålingsbælter af højenergiske protoner og elektroner fra den indfaldende solvind. Desværre, som en måne af Jupiter, sidder Europa lige i disse strålingsbælter. Faktisk vil enhver teknologi, der er designet til Europas overflade, ikke kun skulle være i stand til at overleve de kolde temperaturer, men også den værste stråling, man støder på i solsystemet.

Heldigvis er SiGe HBT'er ideelle til dette fjendtlige miljø. SiGe HBT introducerer en Si-Ge-legering i nanoskala inde i en typisk bipolær transistor for at nano-udvikle dens egenskaber, hvilket effektivt producerer en meget hurtigere transistor og samtidig opretholder skalaøkonomien og lave omkostninger ved traditionelle siliciumtransistorer. SiGe HBT'er har den unikke evne til at opretholde ydeevnen under ekstrem strålingseksponering, og deres egenskaber forbedres naturligvis ved koldere temperaturer. En sådan unik kombination gør dem til ideelle kandidater til Europa-udforskning.

"Det er ikke kun at gøre den grundlæggende videnskab og bevise, at SiGe virker," sagde Cressler. "Det er faktisk ved at udvikle elektronik, som NASA kan bruge på Europa. Vi ved, at SiGe kan overleve høje niveauer af stråling. Og vi ved, at den forbliver funktionel ved kolde temperaturer. Hvad vi ikke vidste, er, om den kunne gøre begge dele på samme tid, hvilket er nødvendig til Europa-overflademissioner."

Test af transistorer

For at besvare dette spørgsmål brugte GT-forskerne JPLs Dynamitron, en maskine, der skyder højflux-elektroner ved meget lave temperaturer til at teste SiGe i miljøer af Europa-typen. De udsatte SiGe HBT'er for en million volt elektroner for en strålingsdosis på fem millioner rad stråling (200-400 rad er dødelig for mennesker) ved 300, 200 og 115 Kelvin (-160 Celsius).

"Hvad der aldrig var blevet gjort, var at bruge elektronik, som vi gjorde i det eksperiment," sagde Cressler. "Så vi arbejdede bogstaveligt talt i det første år for at få de resultater, der er i det papir, hvilket i bund og grund er et endegyldigt bevis på, at det, vi hævdede, faktisk er sandt - at SiGe overlever Europas overfladeforhold."

I de næste to år vil GT- og UT-forskerne udvikle egentlige kredsløb fra SiGe, som kan bruges på Europa, såsom radioer og mikrocontrollere. Endnu vigtigere er det, at disse enheder så kunne bruges problemfrit i næsten ethvert rummiljø, inklusive på månen og Mars.

"Hvis Europa er det værst tænkelige miljø i solsystemet, og du kan bygge disse til at fungere på Europa, så vil de fungere hvor som helst," sagde Cressler. "Denne forskning binder sammen tidligere forskning, som vi har lavet i mit team her hos Georgia Tech i lang tid og viser virkelig interessante og nye anvendelser af disse teknologier. Vi er stolte af at bruge vores forskning til at bryde ny innovativ jord og derved muliggøre nye applikationer ." + Udforsk yderligere

NASA-rumfartøjet summer Jupiter-månen Europa, nærmest i år