Annons

Elektronik som tål Venus hetta

Forskningsprojektet Working on Venus, som inleddes i januari 2014, går mot sitt slut. Det övergripande resultatet är elektronik med brett bandgap (kiselkarbid, SiC) som tål att användas då man landat på Venus 460°C varma yta. Working on Venus är genomfört med stöd av Knut och Alice Wallenbergs stiftelse. Hittills har sju av projektets nio doktorander disputerat.

På fotot ovan ser vi de nyligen disputerade doktorerna Ye Tian och   Shuoben Hou och professorerna Christer Fuglesang, Carl-Mikael Zetterling och Mikael Östling samt universitetslektor Gunnar Malm.

 

Det finns uppenbara motiv till att utforska Venus, som är Jordens närmaste planet: De har båda ungefär samma massa och diameter och enatmosfär. Genom att skapa modeller av Venus kan vi öka förståelsen för vårt klimat och framtida klimatförändringar på jorden.

Vi behöver veta mer
Trots att 44 rymdfarkoster har sänts till Venus sedan 1961 finns det fortfarande områden som måste utrönas för att ge oss en bättre förståelse för hur Venus har bildats och utvecklats.

Under åren 1970 till 1981 sände Sovjet ett antal landare (Venera 1 till 16) till Venus. Den sista farkosten i Venera-serien innehåll massor av instrument. Den vägde hela 700 kg och var 2,3 m hög. Begränsningarna låg bland annat i att elektroniken, kapslad i slutna värmeskyddande behållare, bara kunde fungera under ca två timmar innan de förstördes av Venus höga yttemperatur, 460°C. Atmosfären, som har 92 bars tryck, består till 96 procent av koldioxid och innehåller även svavelsyra. Mikael Östling, professor och prorektor vid KTH, har lett projektet. Han sammanfattar miljön på Venus som:

– Den innehåller ”allt” som kan plåga elektroniken. Med projektet Working on Venus har vi demonstrerat elektronik i kiselkarbid som har förutsättningar att uppfylla de synnerligen tuffa kraven.

Venera 13 (uppsänd 1981) lyckades ta bilder av klippblock. Detta skedde efter det att landaren hade fällt ut stålplattor med givna mått för att skapa storleksreferenser. Stålplattorna hade olika emaljfärger och fotograferades uppvärmda på jorden för att även ge färgreferenser.

Sond i bana över Venus
I projekten NASA Magellan och ESA Venus Express, samt ett projekt från JAXA, samlades enbart in data från en sond i bana över planeten. Projekten gav därför inte alla de data man sökte.

För att ge bättre klimatmodeller för både Venus och Jorden måste man kunna bestämma om det finns någon vulkanisk aktivitet på Venus. Det kräver observationer på plats under mer än två timmar.

– Med kiselkarbidhalvledare skulle elektroniken kunna fungera i minst två månader på Venus – och kanske till och med två år, säger professor Carl-Mikael Zetterling KTH.

Han har inom projektet för Working on Venus lett den forskning som syftat till att utveckla kretsar i kiselkarbid som skall kunna användas i en rymdsond mot Venus.

Aktiva vulkaner
Sonderna från NASA (Mariner 2, Pioneer, Magellan), ESA (Venus Express) och JAXA (Akatsuki) gav radarbilder från Venus atmosfär som visade att den innehöll svavelsyra. Det kan tyda på vulkanisk aktivitet.

Frågan är om det idag finns aktiva vulkaner? För att utröna om det är så krävs undersökningar på Venus yta som pågår betydligt längre än de två timmar som kiselelektroniken kunde har medge:

– Snarare krävs det minst 2 månader eller kanske till och med två år.

I det tidigare KTH-projektet Hotsic, som syftade till att skapa högtemperaturtåliga elektronikkretsar i SiC, valdes en struktur av icke bottnad logik, ECL.

– I Working on Venus valde vi istället SiC i bipolär TTL-struktur. Den var enklare för att bygga alla funktionerna, den förbrukar lägre effekt än ECL och med bipolär teknik kan man undvika MOSFETens känsliga gateoxid, säger Carl-Mikael Zetterling.

Det gällde dock att noggrant bestämma dopningsnivåerna.

– Det är fullt möjligt att åstadkomma kiselkarbidkretsar som tål 460, 500, 700 eller kanske 1000°C. En annan fördel med SiC är tåligheten mot kosmisk strålning.

Projektet Working on Venus har bland annat resulterat i kretsar som kan utgöra byggstenar i ett system för en sond att sända till Venus: Gassensorer och seismiska (kapacitiva) sensorer, A/D-omvandlare, 4 bit CPU, ferroelektriska minnen, radiotransceiver, bildsensor och elektronik för strömförsörjning. Till det kommer ett utvecklingspaket för processutveckling.

– Doktorander har tillverkat över 5000 SiC-kretsar i KTH MYFAB, berättar Mikael Östling.

Av projektets nio doktorander har i skrivande stund sju disputerat.

Långvarig forskning runt WBG
Forskning runt kiselkarbid startades av Mikael Östling och har pågått under de senaste 25 åren på KTH. Working on Venus har sponsrats av Knut och Alice Wallenberg Foundation.

Tidigare forskning runt halvledare med brett bandgap(WBG) har bedrivits med stöd av Vetenskapsrådet, Strategiska forskningsstiftelsen, Energimyndigheten, Vinnova och STandUP for Energy.

Gunnar Lilliesköld, Elektronik i Norden

 

Läs mer på:

Radiomottagare klarar 500 °C

Konstruera högtemperaturs ASIC i SiC

UV-bildsensor som tål 550°C

Minneskretsar för 460 °C

Presentationer om projektet Working on Venus
SiC 2019, Busan, Korea, Nov 28, 2019, SiC Integrated Circuits for Extreme Environment Electronics (Invited, Carl-Mikael Zetterling)

FT 2019 Oct 9, 2019, ”Working on Venus – a Project on Extreme Environment Electronics” (Carl-Mikael Zetterling)

KTH Space Center, Oct 2, 2019, ”Working on Venus – how close did we get?” (Mikael Östling and Carl-Mikael Zetterling)

Euromat 2019, Sep 3, 2019, ”Process and materials challenges for high temperature integrated circuits and power devices in SiC” (Carl-Mikael Zetterling)

XXVIII Workshop on Advances in Analogue Circuit and Design (AACD 2019), Apr 2, 2019, “Wide Bandgap Integrated Circuits for High Power Management in Extreme Environments” (Invited, Carl-Mikael Zetterling)

International Conference on Silicon Carbide and Related Materials (ICSCRM) 2017, Sep 19, 2017, ”Extreme Environment SiC Integrated Circuits” (Invited, Carl-Mikael Zetterling)

International Astronautical Congress IAC, Sep 25-27, 2017, 2 presentations: “Venus Long-Life Surface Package (VL2SP)” and “Working on Venus and Beyond – SiC Electronics for Extreme Environments”.
(Christer Fuglesang)

NASA Venus Exploration Analysis Group (VEXAG) meeting Nov 30, 2016, “SiC Electronics” (Carl-Mikael Zetterling)

ESA call for new science ideas, Sep 14, 2016, “Venus Long-Life Surface Package (VL2SP)”, https://arxiv.org/abs/1611.03365

Andra händelser
School visit (STIMS), Jun 3, 2019, ”Planeten Venus: vad behövs för att utforska ytan?” (Mattias Ekström)

KTH Campus 100 (midnight presentation), Oct 18, 2017, “Working on Venus and Beyond” (Carl-Mikael Zetterling)

Astronomisk ungdom summer course, Jun 28, 2016, ”Elektronik på Venus – KTH Bygger Elektronik för 460 C” (Carl-Mikael Zetterling)

Försvarsdepartementet visit to KTH, Jun 12, 2014, ”Högtemperaturelektronik Working on Venus”

Future Friday (High School students), Mar 5, 2014, ”Elektronik på Venus – Varför?” (Carl-Mikael Zetterling)

 

 

 

Comments are closed.