op:GEER replikerar Venus simulerade ytförhållanden, inklusive temperatur, tryck, och kemisk sammansättning. Nederst:Ringoscillator för hög temperatur fortsätter att fungera stabilt under dessa "Venus-förhållanden" i 521 timmar.
NASA:s framtida planetariska utforskningsinsatser, inklusive uppdrag till Venus, kräver elektronik som kan överleva temperaturer på 470°C och över under lång tid. Sådan hållbar elektronik eliminerar behovet av kylsystem för att möjliggöra varaktig drift. Tidigare drift av elektronik vid Venus ytförhållanden (t.ex. i Venus-uppdrag) har begränsats till några timmar i ett skyddat tryck-/temperaturinnehåll, på grund av den extrema miljön.
Standardelektronik som används kommersiellt och för planetarisk utforskning är baserad på kiselhalvledare, som inte fungerar vid Venus-temperaturer. Ett team vid NASA Glenn Research Center (GRC) har arbetat med att utveckla högtemperaturelektronik baserad på halvledare av kiselkarbid (SiC) som kan fungera vid Venus-temperaturer och högre. Nyligen, teamet visade att en mängd av världens första måttligt komplexa SiC-baserade mikrokretsar (tiotals eller fler transistorer) kunde klara upp till 4000 timmars drift vid 500°C. Dessa demonstrationer inkluderade kärnkretsar som digitala logiska kretsar och analoga operationsförstärkare som används i hela elektroniska system.
Testning av två av dessa kretsar skedde i Glenn Extreme Environments Rig (GEER), som simulerar Venus ytförhållanden inklusive hög temperatur och tryck. I april 2016 teamet demonstrerade en SiC högtemperatur 12-transistorringoscillator vid Venus ytförhållanden (460°C, 93 atm tryck, superkritisk CO² och spårgaser) i GEER under 21,7 dagar (521 timmar) med god stabilitet under hela testet. Denna Venus ytdemonstration av måttligt komplex elektronik är ett betydande världsrekord - storleksordningar i varaktighet bortom någon annan Venus yttillståndselektronikdemonstration. Testning i Venus-förhållanden avslutades efter 21 dagar av schemaläggningsskäl; liknande ringoscillatorkretsar har visat tusentals timmars drift vid 500 ° C i jord-luft omgivande ugnsförhållanden.
SiC högtemperaturelektronik före och efter testning i Venus ytförhållanden (tålig drift under längre tid). Kredit:Topp:Marvin Smith, NASA GRC; Nederst:David Spry, NASA GRC
Dessa framsteg är ett paradigmskifte som i stort sett möjliggör ny vetenskaplig utforskning, speciellt för Venus yta. SMD startade ett projekt under FY17 – Long-Life In-situ Solar System Explorer (LLISSE) – som kommer att införliva denna nya SiC-elektronik. LLISSE utvecklar en fungerande prototyp av en låg kostnad vetenskaplig sond som kan tillhandahålla grundläggande, men högt värde, vetenskapliga mätningar från Venus yta kontinuerligt i månader eller längre. En sådan sond var inte gångbar tidigare, och kommer att revolutionera vår förståelse av Venus yta. Denna nya teknik påverkar också potentiell utveckling av sonder som utforskar gasjättarna (Jupiter, Saturnus, Uranus och Neptunus) eller ytan av Merkurius. SiC-baserad elektronik kan också göra det möjligt för en intelligent flygmotor att övervaka och reagera på sitt eget hälsotillstånd, och kan användas i en rad kommersiella applikationer, t.ex. borrning av djupa oljekällor eller industriell bearbetning.
I augusti 2016 laget slutförde tillverkningen av "nästa generations" extrema temperatur integrerade kretsskivor med betydligt mer komplexa digitala och analoga kretsar (mer än 100 transistorer). I oktober, teamet initierade långvariga 500°C tester (jord-luftatmosfär) av "nästa generations" integrerade kretsar med mer än 100 transistorer. Planerna inkluderar att producera allt mer komplex högtemperatur-SiC-elektronik för att möta behoven i LLISSE-projektet och andra applikationer. NASA kommer att använda en "design and build"-metod för att öka kapaciteten hos de grundläggande elektronikkomponenterna, samtidigt som nya kretstyper tillhandahålls efter behov för specifika tillämpningar.
