Gebäudeelektronik, die auf der Venus funktionieren kann

Das Wetter auf der Venus ist wie etwas von Dantes Inferno. Die durchschnittliche Oberflächentemperatur – 737 K (462 ° C) – ist heiß genug, um Blei zu schmelzen, und der atmosphärische Druck beträgt das 92-fache des Erddrucks auf Meereshöhe (9,2 MPa). Aus diesem Grund haben es nur sehr wenige Robotermissionen jemals an die Oberfläche der Venus geschafft, und diejenigen, die nicht lange gedauert haben – von etwa 20 Minuten bis etwas mehr als zwei Stunden.

Aus diesem Grund möchte die NASA im Hinblick auf zukünftige Missionen Robotermissionen und -komponenten entwickeln, die über einen längeren Zeitraum in der Atmosphäre der Venus überleben können. Dazu gehört die Elektronik der nächsten Generation, die Forscher des NASA Glenn Research Center (GRC) kürzlich vorgestellt haben. Diese Elektronik würde es einem Lander ermöglichen, die Venusoberfläche für Wochen, Monate oder sogar Jahre zu erkunden.

In der Vergangenheit entwickelten sich Lander von den Sowjets und der NASA, um die Venus zu erkunden – als Teil der Venera und Seemann Programme – stützten sich auf Standardelektronik, die auf Siliziumhalbleitern basierte. Diese sind einfach nicht in der Lage, unter den auf der Oberfläche der Venus herrschenden Temperatur- und Druckbedingungen zu arbeiten, und erfordern daher Schutzgehäuse und Kühlsysteme.

Natürlich war es nur eine Frage der Zeit, bis diese Schutzmaßnahmen versagten und die Sonden nicht mehr sendeten. Der Rekord wurde von den Sowjets mit ihren erreicht Venera 13 Sonde, die zwischen dem Abstieg und der Landung 127 Minuten lang übertragen hat. Mit Blick auf die Zukunft möchten die NASA und andere Weltraumagenturen Sonden entwickeln, die so viele Informationen wie möglich über die Atmosphäre, die Oberfläche und die geologische Geschichte der Venus sammeln können, bevor sie eine Auszeit nehmen.

Zu diesem Zweck hat ein Team von NASAs GRC an der Entwicklung von Elektronik gearbeitet, die auf Silic Carbide (SiC) -Halbleitern basiert, die bei oder über den Temperaturen der Venus betrieben werden können. Vor kurzem führte das Team eine Demonstration mit den weltweit ersten mäßig komplexen SiC-basierten Mikroschaltungen durch, die aus zehn oder mehr Transistoren in Form von digitalen Kernlogikschaltungen und analogen Operationsverstärkern bestanden.

Diese Schaltkreise, die in allen elektronischen Systemen einer zukünftigen Mission verwendet werden sollten, konnten bis zu 4000 Stunden bei Temperaturen von 500 ° C (932 ° F) betrieben werden – was effektiv zeigte, dass sie unter venusähnlichen Bedingungen über einen längeren Zeitraum überleben konnten Perioden. Diese Tests fanden im Glenn Extreme Environments Rig (GEER) statt, das die Oberflächenbedingungen der Venus simulierte, einschließlich der extremen Temperatur und des hohen Drucks.

Bereits im April 2016 testete das GRC-Team einen SiC-12-Transistor-Ringoszillator mit dem GEER für einen Zeitraum von 521 Stunden (21,7 Tage). Während des Tests wurden die Schaltkreise Temperaturen von bis zu 460 ° C (860 ° F), atmosphärischen Drücken von 9,3 MPa und überkritischen CO²-Werten (und anderen Spurengasen) ausgesetzt. Während des gesamten Prozesses zeigte der SiC-Oszillator eine gute Stabilität und funktionierte weiter.

Dieser Test wurde aus terminlichen Gründen nach 21 Tagen beendet und hätte viel länger dauern können. Trotzdem stellte die Dauer einen bedeutenden Weltrekord dar und war um Größenordnungen länger als jede andere Demonstration oder Mission, die durchgeführt wurde. Ähnliche Tests haben gezeigt, dass Ringoszillatorschaltungen bei Temperaturen von 500 ° C (932 ° F) unter Erd-Luft-Umgebungsbedingungen Tausende von Stunden überleben können.

Eine solche Elektronik stellt eine große Verschiebung für die NASA und die Erforschung des Weltraums dar und würde Missionen ermöglichen, die zuvor unmöglich waren. Die Science Mission Direction (SMD) der NASA plant, SiC-Elektronik in ihren Long-Life In-Situ Solar System Explorer (LLISSE) zu integrieren. Derzeit wird ein Prototyp für dieses kostengünstige Konzept entwickelt, der über Monate oder länger grundlegende, aber äußerst wertvolle wissenschaftliche Maßnahmen von der Oberfläche der Venus aus ermöglicht.

Weitere Pläne zum Bau eines überlebensfähigen Venus-Explorers sind der Automaton Rover für extreme Umgebungen (AREE), ein „Steampunk-Rover“ -Konzept, das sich eher auf analoge Komponenten als auf komplexe elektronische Systeme stützt. Während mit diesem Konzept die Elektronik vollständig abgeschafft werden soll, um sicherzustellen, dass eine Venus-Mission unbegrenzt betrieben werden kann, würde die neue SiC-Elektronik komplexeren Rovers ermöglichen, unter extremen Bedingungen weiter zu arbeiten.

Über die Venus hinaus könnte diese neue Technologie auch zu neuen Sondenklassen führen, die in der Lage sind, Gasriesen – d. H. Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun – zu erforschen, bei denen Temperatur- und Druckbedingungen in der Vergangenheit unerschwinglich waren. Eine Sonde, die auf einer gehärteten Hülle und elektronischen SiC-Schaltkreisen beruht, könnte jedoch sehr gut tief in das Innere dieser Planeten eindringen und erstaunliche neue Dinge über ihre Atmosphären und Magnetfelder enthüllen.

Die Oberfläche von Quecksilber könnte mit dieser neuen Technologie auch für Rover und Lander zugänglich sein – sogar auf der Tagesseite, wo die Temperaturen einen Höchstwert von 700 K (427 ° C) erreichen. Hier auf der Erde gibt es viele extreme Umgebungen, die jetzt mit Hilfe von SiC-Schaltkreisen erkundet werden können. Zum Beispiel könnten mit SiC-Elektronik ausgestattete Drohnen Tiefseeölbohrungen überwachen oder tief in das Erdinnere eindringen.

Es gibt auch kommerzielle Anwendungen mit Luftfahrtmotoren und Industrieprozessoren, bei denen extreme Hitze oder extremer Druck die elektronische Überwachung traditionell unmöglich machten. Jetzt könnten solche Systeme „intelligent“ gemacht werden, wo sie in der Lage sind, sich selbst zu überwachen, anstatt sich auf Bediener oder menschliche Aufsicht zu verlassen.

Mit extremen Schaltkreisen und (eines Tages) extremen Materialien kann nahezu jede Umgebung erkundet werden. Vielleicht sogar das Innere eines Sterns!

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