Під кілометровими товщами льоду на супутниках Юпітера та Сатурна ховаються океани рідкої води. Європа, Ганімед, Енцелад і Титан входять до списку тіл Сонячної системи, де вода існує у вигляді льоду, пари або рідини під поверхнею — туди ж потрапляють карликова планета Плутон, деякі комети і навіть Уран. Саме такі місця науковці вважають найімовірнішими кандидатами для пошуку життя за межами Землі.
Проблема в тому, що умови там ворожі до будь-якої техніки. Температура поверхні опускається до −180°C, а рівень іонізуючої радіації сягає 5 мегарад — це у 50 разів більше за дозу, смертельну для людини. Звичайна електроніка в такому середовищі просто виходить з ладу, і до цього моменту єдиним рішенням були важкі захисні контейнери.
Теплові бокси стають зайвим вантажем
Попередні місії до Місяця і Марса розміщували електроніку у так званих «теплих боксах» — ізольованих контейнерах з підігрівом, які підтримують всередині температуру, близьку до земної, і блокують радіацію.
Для місій до далеких океанічних світів цей підхід перестає працювати. Кожен зайвий кілограм і ват потужності на шляху до Юпітера чи Сатурна коштує дорого, а теплові бокси важкі, енергоємні та громіздкі за визначенням.
Команда NASA сформулювала вимоги інакше: електроніка має бути комерційно доступною, гнучкою для різних задач — від зв'язку до керування, — компактною і дешевою, і при цьому давати виграш у розмірі, вазі, енергоспоживанні та вартості на порядок, без жодного захисного боксу.
Кремній-германій перетворює холод на перевагу
Рішення знайшла команда Технологічного інституту Джорджії під керівництвом професора Джона Крессера, за участі фахівців Лабораторії реактивного руху NASA (JPL) та Університету Теннессі в Ноксвіллі.
В основі — транзистори на основі сплаву кремнію і германію (SiGe). Їхня фізика працює на користь холодних умов: наношаровий сплав SiGe прискорює рух електронів крізь транзистор під час перемикання, і цей ефект посилюється, а не слабшає, зі зниженням температури. Результат — вища швидкодія саме в холоді, а не деградація роботи, як у звичайної електроніки.
Другий фактор — стійкість до радіації. У класичних транзисторів найвразливіші до опромінення ділянки виконані з оксидних матеріалів. Конструкція SiGe-транзистора мінімізує саме ці шари, тому такі компоненти витримують високі дози опромінення без відмови.
Команда розробила моделі SiGe-транзисторів для проєктування схем і на їх основі створила бібліотеку аналогових, цифрових і радіочастотних (RF) блоків. Прототип інтегральної схеми на цій базі пройшов перевірку до рівня технологічної готовності TRL 5/6 — тобто підтверджений в умовах на Землі, максимально наближених до умов океанічного світу.
Модуль зв'язку розміром менше нігтя пройшов випробування
Ключовий результат проєкту — робочий X-діапазонний (8–12 ГГц) радіочастотний комунікаційний модуль площею менше 10 мм². Він передавав модульовані радіодані за температури −180°C, одночасно перебуваючи під безперервним опроміненням у 5 Мрад.
Раніше жодній команді не вдавалося спроєктувати й перевірити систему з такими характеристиками одночасно. Вся інтегральна схема, з якої зібраний цей модуль, має розмір лише 5×5 мм.
Подібний зв'язковий модуль може стати електронним інтерфейсом для мережі розподілених сенсорів, посадкового апарата, орбітального зонда, бурильного обладнання для крижаних шапок або підводних апаратів.
Від океанічних світів до Місяця і Марса
Розробники підкреслюють: умови океанічних світів — це найгірший можливий сценарій поєднання холоду й радіації в Сонячній системі. Тому SiGe-компоненти, створені для Європи чи Енцелада, одразу застосовні й у менш екстремальних середовищах — на Місяці, Марсі та на навколоземній орбіті.
На Місяці радіаційне навантаження помірніше, але температури залишаються дуже низькими. SiGe-радари й системи зв'язку могли б працювати без захисту на виносних елементах місяцеходів під час нічних переїздів поблизу екватора, а також з меншими вимогами до підігріву — у постійно затінених кратерах, де сонячне світло не з'являється ніколи.
Проєктні файли бібліотеки компонентів, моделі транзисторів, результати тестів і рекомендації з проєктування вже доступні для повторного використання NASA і можуть бути безпосередньо інтегровані в майбутні місії — зокрема ті, що спрямовані до крижаних супутників-океанів.
