Электроника, которая сможет работать на Венере: как ее создать?

Погода на Венере — Дантов ад. Средняя температура поверхности – 462 градуса — достаточно высокая, чтобы расплавить свинец, а атмосферное давление в 92 раза выше, чем на Земле на уровне моря (9,2 МПа). По этим причинам немногие автоматические миссии смогли попасть на поверхность Венеры, а те, что смогли, долго не протянули — от 20 минут до 2 часов, не больше.

Вот почему NASA, планируя будущие миссии, стремится создавать роботов и компоненты, которые смогут выживать в атмосфере Венеры в течение длительных периодов времени. К ним относится электроника нового поколения, которую недавно представили ученые из Исследовательского центра Гленна при NASA (GRC). Эта электроника позволит посадочному модулю исследовать поверхность Венеры в течение нескольких недель, месяцев или даже лет.

В прошлом посадочные аппараты, разработанные СССР и NASA для изучения Венеры — в рамках программ «Венера» и Mariner соответственно — полагались на стандартную электронику, в основе которой лежали кремниевые полупроводники. Они просто не способны работать в условиях температуры и давления, которые встречаются на поверхности Венеры, поэтому требуют наличия защитных оболочек и систем охлаждения.

Естественно, оставался лишь вопрос времени, когда эти системы защиты дадут сбой и зонды прекратят передачу данных. Рекорд удалось установить Советскому Союзу с зондом «Венера-13», который передавал данные в течение 127 минут с момента спуска и приземления. Забегая вперед, NASA и другие космические агентства хотят разработать зонды, которые смогут собрать как можно больше информации об атмосфере, поверхности и геологической истории Венеры, прежде чем погибнут.

Для этого команда из GRC работает над электроникой, которая будет полагаться на полупроводники из карбида кремния (SiC), которые смогут работать при температуре Венеры или выше. Недавно команда провела демонстрацию с использованием первых в мире микросхем средней сложности на основе SiC, состоявших из десятков или более транзисторов в виде основных цифровых логических схем и аналоговых усилителей.

Эти схемы, которые будут использоваться во всех электронных системах будущих миссий, смогли проработать до 4000 часов при температуре 500 градусов — чем эффективно продемонстрировали, что могут существовать в венерианских условиях в течение длительного времени. Эти испытания проводились в среде GEER, которая имитирует условия на поверхности Венеры, включая как экстремальную температуру, так и высокое давление.

Еще в апреле 2016 года команда GRC провела испытания кольцевого осциллятора из 12 полупроводников в течение 521 часа (21,7 дня). Во время испытаний они поднимали температуру цепей до 460 градусов, атмосферное давление до 9,3 МПа и уровень CO₂ и других следовых газов — до сверхкритических. На протяжении всего этого процесса осциллятор на основе SiC демонстрировал хорошую стабильность и продолжал работать.

Испытание закончилось через 21 день из-за расписания, но могло продолжаться и дальше. Тем не менее и этот результат представил мировой рекорд, намного превосходящий достижения любых других миссий. Похожие тесты показали, что кольцевой осциллятор может пережить тысячи часов при температуре 500 градусов в земных условиях.

Подобная электроника представляет важный сдвиг парадигмы освоения космоса и может позволить состояться миссиям, которые ранее были невозможны. NASA планирует включить электронику на основе SiC в зонд LLISSE. Его прототип в настоящее время разрабатывается для добычи базовых, но очень ценных научных измерений поверхности Венеры.

Другие планы по созданию живучего исследователя Венеры включают AREE, «стимпанковый ровер», который опирается на аналоговые компоненты, а не на сложные электронные системы. В то время как эти концепции направлены на то, чтобы полностью избавить нас от электроники и чтобы миссия на Венере могла продолжаться в течение неограниченного срока, новая электроника на основе SiC позволит более сложным роверам работать в экстремальных условиях.

Да и без Венеры эти технологии могут привести к появлению зондов нового класса, способных исследовать недра газовых гигантов — Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна — у которых температура и давление были слишком неприступными в прошлом. Зонд, обладающий прочной закаленной оболочкой и электронными схемами на основе SiC, мог бы проникать глубоко в недра этих планет и вытаскивать новые данные об их атмосферах и магнитных полях.

Поверхность Меркурия также стала бы доступна для роверов и посадочных модулей, использующих новые технологии, даже в дневное время, когда температура поднимается до 427 градусов. Даже на Земле есть много экстремальных мест, которые можно было бы исследовать при помощи цепей SiC.

Может быть, однажды мы сможем исследовать даже недра звезды?