Erdvė yra itin nepalanki aplinka elektronikai. Už Žemės apsauginio magnetinio lauko ribų palydovus nuolat bombarduoja kosminiai spinduliai ir didelės energijos dalelės, pamažu ardančios jautrius elektroninius grandynus.
Laikui bėgant šie nematomi smūgiai gali sugadinti duomenis, pažeisti komponentus ir sutrumpinti kosminių aparatų veikimo trukmę. Siekdami to išvengti, inžinieriai paprastai naudoja masyvią apsauginę ekranavimą, tačiau papildomas svoris didina paleidimo kainą ir riboja naudingų krovinių kiekį.
Dabar Fudano universiteto mokslininkų komanda pristatė įdomų šios problemos sprendimą. Jie kuria elektroniką iš tokios plonos ir tvirtos medžiagos, kad radiacija jai beveik nekenkia.
Atlikus bandymus paaiškėjo, kad jų atominiu lygiu plonas ryšio sistemos grandynas ne tik ištvėrė kelis mėnesius orbitoje – modeliai rodo, jog jis galėtų veikti šimtmečius dar atšiauresnėmis kosmoso sąlygomis.
Elektronika iš vieno atomų sluoksnio
Tyrėjai naudojo molibdeno disulfidą (MoS₂) – junginį, kurį galima suformuoti vos vieno atomų sluoksnio storio, maždaug 0,7 nanometrų. Tokiame mastelyje yra labai mažai medžiagos, kurią galėtų pažeisti į ją atsitrenkiančios dalelės.
Teoriškai didelės energijos dalelės tiesiog praeina pro tokį menką sluoksnį nesukurdamos tų defektų, kurie paprastai lemia įprastų silicio lustų gedimus.
Norėdama šią idėją paversti praktiška technologija, komanda pirmiausia užaugino didelį, tolygų vienasluoksnio MoS₂ lakštą ant 4 colių plokštelės. Iš šios plokštelės vėliau buvo pagaminti tranzistoriai – pagrindiniai elektroninių grandinių elementai.
Šie tranzistoriai buvo sujungti į pilnai veikiančią radijo dažnių (RF) ryšio sistemą, veikiančią 12–18 gigahercų dažnių ruože. Dar svarbiau, kad sistema apėmė ir siųstuvus, ir imtuvus, tad galėjo siųsti ir priimti signalus, analogiškus realių palydovų ryšio sistemoms.
„Remdamiesi 4 colių mastelio vienasluoksnio dvimačio MoS₂ gamybos procesu, įgyvendinome atominiu sluoksniu pagrįstą tranzistorių radijo dažnių (RF, 12–18 GHz) sistemą su siųstuvais ir imtuvais, skirtą ryšiui kosmose“, – rašo tyrimo autoriai.
Bandymas realiomis sąlygomis
Prieš siųsdami ką nors į kosmosą, mokslininkai grandynus kruopščiai išbandė Žemėje. Prietaisai buvo veikiami intensyvia gama spinduliuote, siekiant imituoti sąlygas, su kuriomis elektronika susiduria orbitoje. Vėliau medžiaga buvo detaliai ištirta naudojant pažangius vaizdinimo metodus.
Perdavimo elektroninė mikroskopija leido pažvelgti į atominę struktūrą. Rentgeno energodispersinė analizė parodė, ar pakito cheminė sudėtis. Ramaninė spektroskopija įvairiuose plėvelės taškuose leido aptikti galimus struktūrinius pažeidimus.
Rezultatai buvo netikėti: atominiu lygiu ploname sluoksnyje neaptikta aiškių struktūros ar cheminės sudėties pakitimų. Elektrinės savybės taip pat beveik nepakito. Prietaisai išlaikė itin didelius įjungimo–išjungimo srovės santykius, pasižymėjo menkais nuotėkio srautais ir mažomis energijos sąnaudomis – tai ypač svarbu aparatams, kurių energijos ištekliai labai riboti.
Galutinis išbandymas įvyko kosmose. Komanda į žemąją Žemės orbitą, maždaug 517 kilometrų aukštyje, iškėlė MoS₂ pagrindu veikiančią ryšio sistemą. Devynis mėnesius įrenginys veikė atšiaurioje kosminės radiacijos aplinkoje.
„Pastebėtina, kad po devynių mėnesių darbo orbitoje perduodamų duomenų bitų klaidos tikimybė (BER) išliko mažesnė nei 10⁻⁸, o tai rodo didelį atsparumą radiacijai ir ilgalaikį stabilumą“, – pabrėžia tyrimo autoriai.
Kaip demonstracija, sistema sėkmingai perdavė ir priėmė visą Fudano universiteto himną – be menkiausių iškraipymų.
Be to, remdamiesi orbitoje surinktais radiacijos duomenimis ir kosminių aplinkų modeliais, tyrėjai apskaičiavo, kad jų sistema galėtų veikti net apie 271 metus geostacionarioje orbitoje, kur radiacijos lygis daug didesnis nei žemojoje Žemės orbitoje.
Atominiu sluoksniu plonos elektronikos perspektyvos
Jei šiuos rezultatus patvirtins būsimos misijos, atominiu sluoksniu plona elektronika gali iš esmės pakeisti kosminių aparatų projektavimą. Vietoje sudėtingo, daug vietos užimančio ekranavimo būtų galima naudoti savaime radiacijai atsparius grandynus.
Taip sumažėtų palydovų masė, atpigtų paleidimas ir atsirastų daugiau vietos moksliniams instrumentams ar ryšio įrangai. Ilgiau tarnaujanti elektronika taip pat pailgintų palydovų, tolimųjų kosminių zondų ir aukštose orbitose veikiančių ryšio platformų eksploatavimo laiką.
Vis dėlto lieka nemažai iššūkių. Dabartinė sistema demonstruoja radijo dažnių ryšį, tačiau pilnai funkcionuojančiai kosminei elektronikai reikia ir daugybės kitų komponentų: procesorių, atminties, maitinimo valdymo blokų ir t. t.
Tolimesni svarbūs žingsniai – išplėsti gamybos mastą, patikimai integruoti MoS₂ su esamomis technologijomis ir įrodyti nepertraukiamą sistemos veikimą dar ilgesnėse kosminėse misijose.
