Ett exotiskt material som är redo att bli den första halvledaren för kraftelektronik - eftersom det är mycket effektivare än kisel - letas nu efter potentiella tillämpningar i rymden.

Två NASA -team undersöker användningen av galliumnitrid, en halvledarförening av kristalltyp som först upptäcktes på 1980-talet, och används för närvarande i hemelektronik såsom laserdioder i DVD-läsare. Bland dess många attribut, galliumnitrid-GaN, kort sagt - uppvisar mindre elektriskt motstånd och förlorar således endast en liten del av kraften som värme. Materialet klarar 10 gånger den elektriska strömmen av kisel, möjliggör mindre, snabbare, och mer effektiva enheter. Dessutom, det är tolerant för ett brett temperaturintervall, resistent mot strålning, och som det visar sig, skicklig på att detektera energiska partiklar.

Det är då inte konstigt att forskare och ingenjörer vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, är intresserade av att se hur de kan utnyttja detta mångsidiga material för att förbättra utforskning av rymden.

Med deras finansiering, ingenjören Jean-Marie Lauenstein och forskaren Elizabeth MacDonald undersöker gallium-nitrid transistorer med hög elektronmobilitet, eller GaN HEMTs, för användning för att studera hur jordens magnetosfär kopplas till sin jonosfär - en nyckelfråga inom heliofysikområdet, som bland annat studerar de krafter som driver förändring i vår rymdmiljö. Stanley Hunter och Georgia de Nolfo, under tiden, undersöker materialets användning på en solid-state neutrondetektor som är relevant för både vetenskap och inrikes säkerhet.

Gallium-nitrid transistorer

Galliumnitridtransistorer eller halvledare blev kommersiellt tillgängliga 2010, men de har ännu inte hittat in i rymdforskarnas instrument, trots deras potential att minska ett instruments storlek, vikt, och strömförbrukning. Det finns en anledning till det, sa Lauenstein. Även om galliumnitrid förutspås vara resistent mot många typer av strålskador i rymden, varken NASA eller den amerikanska militären har etablerat standarder som karakteriserar prestandan hos dessa transistoraktiverade enheter när de utsätts för extrem strålning i rymden.

När de träffas av galaktiska kosmiska strålar eller andra energirika partiklar, elektronisk utrustning kan uppleva katastrofala eller övergående enstaka händelser. "Vi har standarder för kisel, " Lauenstein sa. "Vi vet inte om metoderna för kiseltransistorer skulle gälla galliumnitridtransistorer. Med kisel, vi kan bedöma tröskeln för misslyckande."

Med finansieringen, Lauenstein och MacDonald samarbetar med Los Alamos National Laboratory i New Mexico, en reservdelstillverkare, och NASAs elektroniska delar och förpackningar för att fastställa kriterier som säkerställer att en enhet av GaNs-typ kan motstå effekterna av potentiellt skadliga partiklar som produceras av galaktiska kosmiska strålar och andra källor.

Materialet kan vara användbart i elektronstråleacceleratorer-bestående av galliumnitridtransistorer-byggda för att kartlägga specifika magnetlinjer i jordens skyddande magnetosfär till deras fotavtryck i jordens jonosfär där aurora förekommer-vilket hjälper till att visa hur de två regionerna i rymden nära jorden ansluta.

"Teamets forskning om strålningstolerans hjälper oss att förstå hur man flyger dessa acceleratorer i den hårda rymdmiljön under uppdragets livstid, sa MacDonald.

Enligt Lauenstein, dessa standarder kommer också att gynna andra vetenskapliga discipliner. "Vi behöver en väg framåt för den här tekniken, "sa hon" Detta öppnar dörren för andra att införliva denna teknik i sina egna uppdrag. "

Potentiellt "Game Changing"

För de Nolfo och Hunter, galliumnitrid erbjuder en potentiell lösning för att bygga en detektor och avbilda neutroner, som är kortlivade och vanligtvis går ut efter cirka 15 minuter. Neutroner kan genereras av energiska händelser i solen såväl som kosmiska strålars interaktioner med jordens övre atmosfär. De neutroner som genereras av kosmiska strålar i atmosfären kan lägga till jordens strålningsbälte - en stråle av strålning som omger jorden som bland annat kan störa ombord satellitelektronik - när de förfaller. Forskare har upptäckt att GaN kan utgöra grunden för en mycket känslig neutrondetektor.

"Galliumnitridkristallen kan förändra spelet för oss, sa de Nolfo.

Under deras koncept, Hunter och de Nolfo skulle placera en galliumnitridkristall inuti ett instrument. När neutroner kom in i kristallen, de sprider gallium- och kväveatomer och, i processen, excitera andra atomer, som sedan producerar en ljusblixt som avslöjar positionen för neutronen som initierade reaktionen. Kiselfotomultiplikatorer anslutna till kristallen omvandlar ljusblixten till en elektrisk puls som ska analyseras av sensorelektroniken.

"Galliumnitrid är ganska väl känt inom fotoelektronikindustrin, men jag tror att vi trycker lite på kuvertet på den här applikationen, "Jägare sa, och tillägger att det fina med konceptet är att det inte innehåller några rörliga delar, använd lite ström, och arbeta i ett vakuum. Om det fungerar, instrumentet skulle gynna olika rymdvetenskapliga discipliner och militären vid upptäckt av kärnmaterial, han lade till.