Un materiale esotico destinato a diventare il semiconduttore preferito per l'elettronica di potenza, poiché è molto più efficiente del silicio, è ora oggetto di potenziali applicazioni nello spazio.

Due squadre della NASA stanno esaminando l'uso del nitruro di gallio, un composto semiconduttore di tipo cristallino scoperto per la prima volta negli anni '80, e attualmente utilizzato nell'elettronica di consumo come i diodi laser nei lettori DVD. Tra i suoi numerosi attributi, nitruro di gallio-GaN, in breve, dimostra una minore resistenza elettrica e quindi perde solo una piccola parte di potenza sotto forma di calore. Il materiale può gestire 10 volte la corrente elettrica del silicio, consentendo più piccoli, Più veloce, e dispositivi più efficienti. Inoltre, è tollerante a un'ampia gamma di temperature, resistente alle radiazioni, e come si scopre, abile nel rilevare particelle energetiche.

Non c'è da meravigliarsi quindi che scienziati e ingegneri del Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, Maryland, sono interessati a vedere come potrebbero sfruttare questo materiale versatile per migliorare l'esplorazione dello spazio.

Con il loro finanziamento, l'ingegnere Jean-Marie Lauenstein e la scienziata Elizabeth MacDonald stanno studiando i transistor ad alta mobilità elettronica al nitruro di gallio, o HEMT GaN, da utilizzare nello studio di come la magnetosfera terrestre si accoppia alla sua ionosfera, una domanda chiave nel campo dell'eliofisica, che tra l'altro studia le forze che guidano il cambiamento nel nostro ambiente spaziale. Stanley Hunter e Georgia de Nolfo, nel frattempo, stanno studiando l'uso del materiale su un rivelatore di neutroni a stato solido che è rilevante sia per la scienza che per la sicurezza nazionale.

Transistor al nitruro di gallio

I transistor o semiconduttori al nitruro di gallio sono diventati disponibili in commercio nel 2010, ma non hanno ancora trovato la loro strada negli strumenti degli scienziati spaziali, nonostante il loro potenziale per ridurre le dimensioni di uno strumento, il peso, e consumo di energia. C'è una ragione per questo, disse Lauenstein. Anche se si prevede che il nitruro di gallio sia resistente a molti tipi di danni da radiazioni incontrati nello spazio, né la NASA né l'esercito degli Stati Uniti hanno stabilito standard che caratterizzano le prestazioni di questi dispositivi abilitati a transistor quando esposti alle radiazioni estreme nello spazio.

Quando viene colpito da raggi cosmici galattici o altre particelle energetiche, le apparecchiature elettroniche possono subire sconvolgimenti catastrofici o transitori per un singolo evento. "Abbiamo standard per il silicio, " Ha detto Lauenstein. "Non sappiamo se i metodi per i transistor al silicio si applicherebbero ai transistor al nitruro di gallio. Con il silicio, possiamo valutare la soglia per il fallimento."

Con il finanziamento, Lauenstein e MacDonald stanno collaborando con il Los Alamos National Laboratory nel New Mexico, un produttore di componenti, e la NASA Electronic Parts and Packaging per stabilire criteri che assicurino che un dispositivo di tipo GaNs possa resistere agli effetti di particelle potenzialmente dannose prodotte dai raggi cosmici galattici e da altre fonti.

Il materiale potrebbe essere utile negli acceleratori di fasci di elettroni, costituiti da transistor al nitruro di gallio, costruiti per mappare linee magnetiche specifiche nella magnetosfera protettiva della Terra alle loro impronte nella ionosfera terrestre dove si verificano le aurore, contribuendo a mostrare come le due regioni dello spazio vicino alla Terra Collegare.

"La ricerca del team sulla tolleranza alle radiazioni ci aiuta a capire come far volare questi acceleratori nel duro ambiente spaziale durante la vita della missione, " ha detto MacDonald.

Secondo Lauenstein, questi standard andranno a beneficio anche di altre discipline scientifiche. "Abbiamo bisogno di un percorso in avanti per questa tecnologia, " ha detto "Questo apre la porta ad altri per incorporare questa tecnologia nelle proprie missioni".

Potenzialmente "cambio di gioco"

Per de Nolfo e Hunter, il nitruro di gallio offre una potenziale soluzione per la costruzione di un rivelatore e l'imaging di neutroni, che sono di breve durata e in genere scadono dopo circa 15 minuti. I neutroni possono essere generati da eventi energetici nel Sole e dalle interazioni dei raggi cosmici con l'atmosfera superiore della Terra. I neutroni generati dai raggi cosmici nell'atmosfera possono aggiungersi alla cintura di radiazioni della Terra, un campione di radiazioni che circondano la Terra che, tra le altre cose, possono interferire con l'elettronica di bordo del satellite, quando decadono. I ricercatori hanno scoperto che il GaN può costituire la base di un rivelatore di neutroni altamente sensibile.

"Il cristallo di nitruro di gallio potrebbe cambiare il gioco per noi, ", ha detto de Nolfo.

Sotto il loro concetto, Hunter e de Nolfo avrebbero posizionato un cristallo di nitruro di gallio all'interno di uno strumento. Quando i neutroni entrano nel cristallo, disperdono atomi di gallio e azoto e, nel processo, eccitare altri atomi, che poi producono un lampo di luce che rivela la posizione del neutrone che ha avviato la reazione. I fotomoltiplicatori di silicio attaccati al cristallo convertono il lampo di luce in un impulso elettrico da analizzare dall'elettronica del sensore.

"Il nitruro di gallio è ragionevolmente ben compreso nell'industria della fotoelettronica, ma penso che stiamo spingendo un po' la busta su questa domanda, "Cacciatore ha detto, aggiungendo che la bellezza del concetto è che non conterrebbe parti mobili, usa poca energia, e operare nel vuoto. Se funziona, lo strumento andrebbe a beneficio di diverse discipline della scienza spaziale e dell'esercito nel rilevamento di materiale nucleare, Ha aggiunto.