Досліджувати Європу можливо з використанням технології кремнієво-германієвих транзисторів

Європа - це не просто один із численних супутників Юпітера, а й одне з найперспективніших місць у Сонячній системі для пошуку позаземного життя. Під 10-кілометровим шаром льоду знаходиться океан рідкої води, в якому воно й може існувати. Але з температурою поверхні мінус 180 градусів Цельсія та екстремальним рівнем радіації це одне з найбільш негостинних місць у Сонячній системі.

Як стверджують в Технологічному інституті Джорджії, дослідження Європи може стати можливим у найближчі роки завдяки новим застосуванням технології кремнієво-германієвих транзисторів, яку вони розробили.

Професор Джон Д. Кресслер зі Школи електротехніки та обчислювальної техніки (ECE) та його студенти вже кілька десятиліть працюють з біполярними транзисторами з гетеропереходом кремній-германій (SiGe HBTs) і виявили, що вони мають унікальні переваги в екстремальних умовах, таких як Європа.

"Завдяки способу виготовлення, ці пристрої фактично виживають в екстремальних умовах без будь-яких змін у самій технології", - сказав Кресслер, який є дослідником проєкту. "Ви можете створити його для того, що ви хочете робити на Землі, а потім використовувати його в космосі".

Дослідники перебувають на першому році трирічного гранту в рамках програми НАСА "Концепції технології виявлення життя в океанічних світах" (COLDTech) на розробку електронної інфраструктури для майбутніх польотів до поверхні Європи. НАСА планує запустити у 2024 році орбітальний космічний апарат Europa Clipper, який складе карту океанів Європи, а потім відправити посадковий апарат Europa Lander, щоб пробурити лід і дослідити її підповерхневий океан. Але все починається з електроніки, яка повинна бути здатною функціонувати в екстремальних умовах Європи.

Кресслер та його студенти разом із дослідниками з Лабораторії реактивного руху (JPL) НАСА та Університету Теннессі (UT) продемонстрували можливості SiGe HBT для цього негостинного середовища у роботі, представленій у липні на конференції IEEE Nuclear and Space Radiation Effects Conference.

Проблема з Європою

Як і Земля, Юпітер також має рідке металеве ядро, яке генерує магнітне поле, що створює радіаційні пояси високоенергетичних протонів та електронів від сонячного вітру, що набігає. На жаль, як супутник Юпітера, Європа перебуває якраз у цих радіаційних поясах. Отже, будь-яка технологія, розроблена для поверхні Європи, має бути здатна витримати не тільки низькі температури, а й найсильнішу радіацію, що зустрічається у Сонячній системі.

На щастя, SiGe HBT ідеально підходять для цього несприятливого середовища. У SiGe HBT всередині звичайного біполярного транзистора вводять нанорозмірний сплав Si-Ge для нано-конструювання його властивостей, що дає змогу отримати набагато швидший транзистор, зберігаючи економічність і низьку вартість традиційних кремнієвих транзисторів. SiGe HBT володіють унікальною здатністю зберігати продуктивність за екстремального радіаційного опромінення, а їхні властивості природним чином поліпшуються за нижчих температур. Таке унікальне поєднання робить їх ідеальними кандидатами для дослідження Європи.

"Це не просто фундаментальна наука й доказ того, що SiGe працює", - сказав Кресслер. "Це фактично розробка електроніки для НАСА, яка буде використовуватися на Європі. Ми знаємо, що SiGe може витримувати високі рівні радіації. І ми знаємо, що він залишається працездатним за низьких температур. Але ми не знали, чи може він робити те й інше одночасно, що необхідно для місій на поверхні Європи".

Випробування транзисторів

Щоб відповісти на це питання, дослідники GT використовували Dynamitron JPL - установку, яка стріляє електронами з високим потоком при дуже низьких температурах, щоб випробувати SiGe в умовах, характерних для Європи. Вони піддали SiGe HBTs впливу одного мільйона вольт-електронів з дозою випромінювання в п'ять мільйонів рад (200-400 рад смертельні для людини), за температур 300, 200 і 115 Кельвінів (-160 градусів Цельсія).

"Що ще ніколи не робилося, так це використання електроніки, як це було в цьому експерименті", - сказав Кресслер. "Отже, ми працювали буквально протягом першого року, щоб отримати результати, наведені в цій статті, які, по суті, є остаточним доказом того, що те, що ми стверджували, насправді правда - SiGe дійсно виживає в умовах поверхні Європи".

Протягом наступних двох років дослідники GT і UT розроблять реальні схеми з SiGe, які можна буде використовувати на Європі, наприклад, радіоприймачі та мікроконтролери. Але ще важливіше те, що ці пристрої можна буде використовувати практично в будь-якому космічному середовищі, зокрема на Місяці та Марсі.

"Якщо Європа є найгіршим середовищем у Сонячній системі, і ви можете створити ці пристрої для роботи на Європі, тоді вони працюватимуть скрізь", - сказав Кресслер. "Це дослідження об'єднує минулі роботи, які ми проводили в моїй команді тут, у Технологічному інституті Джорджії, протягом тривалого часу, і показує справді цікаві та нові застосування цих технологій. Ми пишаємося тим, що використовуємо наші дослідження для створення нових інноваційних основ і, таким чином, для створення нових додатків".