Kriogeniczne badanie przestrzeni kosmicznej

Temperatura w przestrzeni kosmicznej wynosi zaledwie – 240 stopni Celsjusza na orbicie Plutona, – 125 stopni Celsjusza na Marsie oraz – 50 stopni Celsjusza na wysokości 570 km nad Ziemią, na której aktualnie znajduje się teleskop Hubbla. W tak niskich temperaturach konwencjonalne urządzenia elektroniczne są bezużyteczne.

Jednym z pomysłów na umożliwienie konwencjonalnym urządzeniom elektronicznym pracy w kosmosie jest dodanie źródła ciepła, które utrzymywałoby je w temperaturze wyższej niż temperatura otaczającej przestrzeni. Rozwiązanie to wydaje się jednak niepraktyczne, gdyż oznacza zwiększenie zapotrzebowania na energię. Przez to urządzenia elektroniczne stałyby się cięższe, większe i bardziej skomplikowane.

W ramach finansowanego ze środków UE projektu "Cryogenic electronics for space applications and research" (CESAR) naukowcy pracowali nad pionierską technologią noszącą nazwę krioelektroniki. Dzięki wydajniejszemu przewodzeniu ciepła i elektryczności, niższej mocy roboczej i wyższej ogólnej sprawności, krioelektronika jest lepszym rozwiązaniem dla misji kosmicznych.

Umiarkowanie chłodzone magnetometry (mierzące pole magnetyczne) są bardzo czułe, przez co dobrze nadają się do zadań kosmicznych. Detektory promieniowania rentgenowskiego mogą osiągać rozkład spektralny o dwa rzędy wielkości wyższy niż detektory krzemowe. W widmie podczerwieni obserwacje przy pomocy bolometrów (mierzących promieniowanie elektromagnetyczne) są ograniczane tylko tłem fotonowym światła zodiakalnego.

Zastosowanie tych nowych detektorów krioelektronicznych było jednak utrudnione ze względu na ograniczoną dostępność zasilania. Dużą część mocy pochłaniałby transport zarejestrowanych sygnałów do odległych, cieplejszych urządzeń elektronicznych, w których miałyby być one przetwarzane. Uczestnicy projektu CESAR z powodzeniem podjęli się zaprojektowania podzespołów elektronicznych, które mogłyby pracować jak najbliżej detektorów.

Ponieważ istniejące komponenty krioelektroniczne nie zostały jeszcze sprawdzone i brak było do nich instrukcji obsługi, uczestnicy projektu CESAR przeprowadzili ich testy. Tranzystory oparte na połączeniu krzemu i germanu okazały się mieć wyższą sprawność niż konwencjonalne tranzystory krzemowe przy pracy w temperaturze powyżej 100 Kelwinów.

Kolejnym krokiem było ustalenie sposobu projektowania skomplikowanych obwodów z wykorzystaniem dotychczasowej uzupełniającej technologii metal-tlenek-półprzewodnik, która umożliwia pracę w temperaturze nawet 4 Kelwinów. Obwody krioelektroniczne poprawiają sprawność detektorów, gdyż kontrolują amplifikację i filtrowanie zarejestrowanych sygnałów, a także konwersję sygnałów cyfrowych na analogowe i odwrotnie.

Do innych osiągnięć należy miniaturyzacja, możliwość upakowywania oraz rozszerzone funkcje krioelektroniki. Projekt CESAR jest dowodem na to, że badanie tajemnic wszechświata wymaga zastosowania niezwykłych technologii na Ziemi. O wynikach prac informowano za pośrednictwem strony internetowej projektu oraz podczas serii warsztatów poświęconych badaniu możliwości zastosowania tych rozwiązań w diagnostyce medycznej oraz nadprzewodzących magnetycznych systemach magazynowania energii.