Europa. Kredit:NASA
Europa är mer än bara en av Jupiters många månar – det är också en av de mest lovande platserna i solsystemet att leta efter utomjordiskt liv. Under 10 kilometer is är ett flytande vattenhav som kan upprätthålla liv. Men med yttemperaturer på -180 Celsius och med extrema strålningsnivåer är det också en av de mest ogästvänliga platserna i solsystemet. Att utforska Europa kan vara möjligt under de kommande åren tack vare nya tillämpningar för forskning om kisel-germanium transistorteknologi vid Georgia Tech.
Regents professor John D. Cressler vid School of Electrical and Computer Engineering (ECE) och hans studenter har arbetat med kisel-germanium heterojunction bipolära transistorer (SiGe HBTs) i decennier och har funnit att de har unika fördelar i extrema miljöer som Europa .
"På grund av det sätt som de är gjorda överlever dessa enheter faktiskt de extrema förhållandena utan att några förändringar görs i själva den underliggande teknologin", säger Cressler, som är projektets utredare. "Du kan bygga den för vad du vill att den ska göra på jorden, och sedan kan du använda den i rymden."
Forskarna befinner sig i år ett av ett treårigt anslag i NASA Concepts for Ocean Worlds Life Detection Technology (COLDTech)-programmet för att designa elektronikinfrastrukturen för kommande Europa-ytuppdrag. NASA planerar att lansera Europa Clipper 2024, en kretsande rymdfarkost som kommer att kartlägga Europas hav, och sedan så småningom skicka ett landningsfordon, Europa Lander, för att borra genom isen och utforska dess hav. Men allt börjar med elektronik som kan fungera i Europas extrema miljö.
Cressler och hans studenter, tillsammans med forskare från NASA Jet Propulsion Lab (JPL) och University of Tennessee (UT), demonstrerade förmågan hos SiGe HBTs för denna fientliga miljö i en artikel som presenterades vid IEEE Nuclear and Space Radiation Effects Konferens i juli.
Europas utmaning
Liksom jorden har Jupiter också en flytande metallkärna som genererar ett magnetfält, som producerar strålningsbälten av högenergiprotoner och elektroner från den infallande solvinden. Tyvärr, som en måne av Jupiter, sitter Europa rakt in i dessa strålningsbälten. I själva verket skulle all teknik som designats för Europas yta inte bara behöva kunna överleva de kalla temperaturerna utan också den värsta strålningen som påträffas i solsystemet.
Lyckligtvis är SiGe HBTs idealiska för denna fientliga miljö. SiGe HBT introducerar en Si-Ge-legering i nanoskala inuti en typisk bipolär transistor för att nanokonstruera dess egenskaper, vilket effektivt producerar en mycket snabbare transistor samtidigt som skalekonomin och låg kostnad för traditionella kiseltransistorer bibehålls. SiGe HBTs har den unika förmågan att bibehålla prestanda under extrem strålningsexponering, och deras egenskaper förbättras naturligtvis vid kallare temperaturer. En sådan unik kombination gör dem till idealiska kandidater för Europa-utforskning.
"Det är inte bara att göra den grundläggande vetenskapen och bevisa att SiGe fungerar," sa Cressler. "Det håller faktiskt på att utveckla elektronik för NASA att använda på Europa. Vi vet att SiGe kan överleva höga nivåer av strålning. Och vi vet att den förblir funktionell vid kalla temperaturer. Vad vi inte visste är om den kunde göra båda samtidigt, vilket är behövs för Europa ytuppdrag."
Testa transistorerna
För att svara på denna fråga använde GT-forskarna JPL:s Dynamitron, en maskin som skjuter högfluxelektroner vid mycket låga temperaturer för att testa SiGe i miljöer av Europa-typ. De exponerade SiGe HBTs för en miljon voltelektroner för en stråldos på fem miljoner rads strålning (200-400 rad är dödligt för människor), vid 300, 200 och 115 Kelvin (-160 Celsius).
"Vad som aldrig hade gjorts var att använda elektronik som vi gjorde i det experimentet," sa Cressler. "Så, vi arbetade bokstavligen det första året för att få resultaten som finns i det dokumentet, vilket i grund och botten är ett definitivt bevis på att det vi hävdade faktiskt är sant - att SiGe överlever Europas ytförhållanden."
Under de kommande två åren kommer GT- och UT-forskarna att utveckla faktiska kretsar från SiGe som kan användas på Europa, som radioapparater och mikrokontroller. Ännu viktigare är att dessa enheter sedan kan användas sömlöst i nästan vilken rymdmiljö som helst, inklusive på månen och Mars.
"Om Europa är den värsta miljön i solsystemet, och du kan bygga dessa för att fungera på Europa, då kommer de att fungera var som helst," sa Cressler. "Denna forskning binder samman tidigare forskning som vi har gjort i mitt team här på Georgia Tech under lång tid och visar riktigt intressanta och nya tillämpningar av dessa teknologier. Vi är stolta över att använda vår forskning för att bryta ny innovativ mark och därmed möjliggöra nya tillämpningar. ." + Utforska vidare
