Europa. Credito:NASA
Europa è più di una delle tante lune di Giove, è anche uno dei luoghi più promettenti del sistema solare per cercare la vita extraterrestre. Sotto i 10 chilometri di ghiaccio c'è un oceano di acqua liquida che potrebbe sostenere la vita. Ma con temperature superficiali di -180 gradi Celsius e livelli estremi di radiazione, è anche uno dei luoghi più inospitali del sistema solare. Esplorare Europa potrebbe essere possibile nei prossimi anni grazie alle nuove applicazioni per la ricerca sulla tecnologia dei transistor silicio-germanio presso la Georgia Tech.
Il professor John D. Cressler di Regents presso la School of Electrical and Computer Engineering (ECE) e i suoi studenti hanno lavorato con i transistor bipolari a eterogiunzione silicio-germanio (SiGe HBT) per decenni e hanno riscontrato che hanno vantaggi unici in ambienti estremi come l'Europa .
"Grazie al modo in cui sono realizzati, questi dispositivi sopravvivono effettivamente a quelle condizioni estreme senza che vengano apportate modifiche alla tecnologia sottostante", ha affermato Cressler, che è l'investigatore del progetto. "Puoi costruirlo per quello che vuoi che faccia sulla Terra, e poi puoi usarlo nello spazio."
I ricercatori sono nel primo anno di una sovvenzione triennale nel programma NASA Concepts for Ocean Worlds Life Detection Technology (COLDTech) per progettare l'infrastruttura elettronica per le prossime missioni di superficie Europa. La NASA prevede di lanciare l'Europa Clipper nel 2024, un veicolo spaziale orbitante che mapperà gli oceani di Europa, e poi alla fine invierà un veicolo di atterraggio, Europa Lander, per perforare il ghiaccio ed esplorare il suo oceano. Ma tutto inizia con l'elettronica che può funzionare nell'ambiente estremo di Europa.
Cressler e i suoi studenti, insieme ai ricercatori del Jet Propulsion Lab (JPL) della NASA e dell'Università del Tennessee (UT), hanno dimostrato le capacità degli HBT SiGe per questo ambiente ostile in un documento presentato al IEEE Nuclear and Space Radiation Effects Conferenza a luglio.
La sfida di Europa
Come la Terra, anche Giove ha un nucleo di metallo liquido che genera un campo magnetico, producendo cinture di radiazioni di protoni ed elettroni ad alta energia dal vento solare che colpisce. Sfortunatamente, in quanto luna di Giove, Europa si trova esattamente in quelle cinture di radiazioni. In effetti, qualsiasi tecnologia progettata per la superficie di Europa non solo dovrebbe essere in grado di sopravvivere alle basse temperature, ma anche alla peggiore radiazione riscontrata nel sistema solare.
Fortunatamente, gli HBT SiGe sono ideali per questo ambiente ostile. SiGe HBT introduce una lega Si-Ge su nanoscala all'interno di un tipico transistor bipolare per nano-ingegnerizzare le sue proprietà, producendo efficacemente un transistor molto più veloce pur mantenendo l'economia di scala e il basso costo dei tradizionali transistor al silicio. Gli HBT SiGe hanno la capacità unica di mantenere le prestazioni in condizioni di esposizione a radiazioni estreme e le loro proprietà migliorano naturalmente a temperature più fredde. Una combinazione così unica li rende candidati ideali per l'esplorazione dell'Europa.
"Non si tratta solo di fare la scienza di base e dimostrare che SiGe funziona", ha detto Cressler. "In realtà sta sviluppando l'elettronica che la NASA può utilizzare su Europa. Sappiamo che SiGe può sopravvivere a livelli elevati di radiazioni. E sappiamo che rimane funzionante a basse temperature. Quello che non sapevamo è se potesse fare entrambe le cose contemporaneamente, il che è necessario per le missioni di superficie di Europa."
Test dei transistor
Per rispondere a questa domanda, i ricercatori GT hanno utilizzato Dynamitron di JPL, una macchina che spara elettroni ad alto flusso a temperature molto basse per testare SiGe in ambienti di tipo Europa. Hanno esposto gli HBT SiGe a un milione di Volt di elettroni a una dose di radiazione di cinque milioni di rad (200-400 rad sono letali per l'uomo), a 300, 200 e 115 Kelvin (-160 Celsius).
"Quello che non era mai stato fatto è stato usare l'elettronica come abbiamo fatto in quell'esperimento", ha detto Cressler. "Quindi, abbiamo lavorato letteralmente per il primo anno per ottenere i risultati che sono in quel documento, che è in sostanza la prova definitiva che ciò che abbiamo affermato è, in effetti, vero:che SiGe sopravvive alle condizioni della superficie di Europa."
Nei prossimi due anni, i ricercatori GT e UT svilupperanno veri e propri circuiti da SiGe che potrebbero essere utilizzati su Europa, come radio e microcontrollori. Ancora più importante, questi dispositivi potrebbero quindi essere utilizzati senza problemi in quasi tutti gli ambienti spaziali, inclusi la Luna e Marte.
"Se Europa è l'ambiente peggiore nel sistema solare e puoi costruirli per funzionare su Europa, allora funzioneranno ovunque", ha detto Cressler. "Questa ricerca unisce le ricerche passate che abbiamo svolto nel mio team qui alla Georgia Tech per molto tempo e mostra applicazioni davvero interessanti e nuove di queste tecnologie. Siamo orgogliosi di utilizzare la nostra ricerca per aprire nuove strade innovative e quindi consentire nuove applicazioni ." + Esplora ulteriormente
