Kaupallisia elektroniikan komponentteja käytetään entistä enemmän avaruussovelluksissa niiden hyvän saatavuuden ja korkean suorituskyvyn vuoksi. Niiden toiminnan varmistaminen avaruuden rankkoja säteily-ympäristöihin ei ole kuitenkaan yksinkertaista, selviää M.Sc. Andrea Coronettin Jyväskylän yliopistossa tekemästä väitöskirjatyöstä.
Yhä useammat piensatelliitit perustuvat täysin kaupallisiin komponentteihin, mikä tekee niistä halvempia, pienempiä ja myös paremman saatavuutensa puolesta hyvin yhteensopivia tiukkojen laukaisuaikataulujen kanssa. Kääntöpuolena on, ettei tällaisten järjestelmien luotettavuutta ole pystytty varmistamaan säteilyn aiheuttamaa uhkaa vastaan yhtä tehokkaasti.
Perinteisesti avaruusjärjestelmien luotettavuutta on tarkasteltu erittäin korkeaenergisten hiukkasten, kuten galaktisten kosmisten hiukkasten sekä Van Allen vyöhykkeisiin loukkuuntuneiden korkeaenergisten protonien näkökulmasta.
Ja koska nykyisin komponentit koostuvat transistoreista, joiden kokoluokka on vain muutamia satoja atomeita. Puhutaan nanometreistä tai ehkä kymmenistä nanometreistä. Lisäksi komponentit toimivat erittäin pienillä käyttöjännitteillä. Yhdessä nämä tekijät tekevät monista nykykomponenteista haavoittuvaisia heikollekin ionisoivalle säteilylle, kuten matalaenergisille protoneille.
Näitä asioita kuvaa myös Jyväskylän yliopistossa joulukuussa tarkastettavassa M.Sc. Andrea Coronettin väitöskirjassa, jossa käsittelee myös kaupallisten elektroniikkakomponenttien hyödyntämistä muun muassa mallinnuksen avulla. Työssä käydään läpi esimerkiksi, miten komponenttien herkkyys saattaa luoda merkittäviä uhkia matalilla kiertoradoilla toimiville tuhansille piensatelliittien ratkaisuille.
“Tulevina vuosina on odotettavissa, että matalaenergisten protonien käyttö elektroniikan testaamisessa lisääntyy ja sille määritetään selvät standardit”, kertoo väitöskirjatutkija M.Sc. Andrea Coronett. Siinä Jyväskylän yliopiston RADEF-testiasema on hänen mukaansa myös hyvässä asemassa vastaamaan tulevaan kysyntään.
Coronettin mukaan yksi teknologisen kehityksen mahdollistaja on ollut uusien valmistustapojen kehittäminen. Monet korkean teknologian muistit ja prosessorit on valmistettu uudella ns. 3D-IC tekniikalla, missä on useampi puolijohdekerros päällekkäin. Tämän avulla pakkaustiheyttä saadaan kasvatettua, mutta tällaisten komponenttien säteilynkeston testaaminen on erittäin monimutkaista ja kallista.
Testaaminen ei välttämättä ole mahdollista edes nykyisiä testausmenetelmiä ja -standardeja käyttäen. Tästä syystä avaruusjärjestöt ja -teollisuus etsivät jo vaihtoehtoisia tapoja uusien komponenttien säteilyvasteen määrittämiselle.
Tulevaisuudessa testausta ei enää välttämättä mietitä enää yksittäisen komponentin näkökulmasta, vaan pyritään testaamaan mahdollisimman tehokkaasti kokonaisia piirilevyjä tai laajoja järjestelmiä. Tällaiseen tarkoitukseen uudet korkeaenergiset hadroni- ja raskasionisuihkut ovat tarpeen. Väitöskirjassaa Andrea Coronetti käykin läpi myös kiihdytinkeskus CERNin CHARM-testiaseman tarjoamien korkeaenergisten hadronisuihkujen mahdollisuudet ja rajoitteet testauksessa.
Väitöskirjassa keskitytään näiltä osin kyseisten hiukkasten aiheuttamien säteilyilmiöiden fysiikkaan sekä siihen, miten näillä suihkuilla mitatut tulokset voidaan kytkeä avaruudessa havaittaviin ilmiöihin. Väitöskirjan materiaali pohjautuu NASAn, ESAn ja Airbusin kanssa vahvassa yhteistyössä tehtyyn modernien avaruusjärjestelmien säteilynkestotestauksen ohjeistukseen.
Lisää: M.Sc. Andrea Coronettin tarkastustilaisuus järjestetään keskiviikkona 17.12.2021 klo 12 salissa FYS1. Lisäksi sitä voi seurata Zoom-sovelluksella tai Crome-selaimilla zoom-osoitteella (LINKKI). Väitöskirja ”Relevance and guidelines of radiation effect testing beyond the standards for electronic devices and systems used in space and at accelerators” on julkaistu sarjassa JYU Dissertations numerona 453, Jyväskylä 2021, ISSN 2489-9003, ISBN 978-951-39-8915-6 (LINKKI, pdf). Lisäksi Uusiteknologia.fi:ssä 16.11.2017 uutisjuttu Jyväskylän yliopiston koulutusprojektista (LINKKI) ”Säteilyä kestävä elektroniikka tarvitsee uusia tekijöitä”.
Kuvituskuva: ESA