De väder på Venus är som något ur DantesHelvete.Den genomsnittliga yttemperaturen – 737 K (462 °C; 864 °F) – är tillräckligt varm för att smälta bly och atmosfärstrycket är 92 gånger det jordens vid havsnivån (9,2 MPa). Av denna anledning har väldigt få robotuppdrag någonsin tagit sig till Venus yta , och de som har varat inte länge – allt från cirka 20 minuter till drygt två timmar.
Det är därför NASA, med sikte på framtida uppdrag, vill skapa robotuppdrag och komponenter som kan överleva inuti Venus atmosfär under långa tidsperioder. Dessa inkluderar nästa generations elektronik som forskare från NASA Glenn Research Center (GRC) nyligen avslöjade. Denna elektronik skulle tillåta en landare att utforska Venus yta i veckor, månader eller till och med år.
Tidigare har landare utvecklats av sovjeterna och NASA för att utforska Venus – som en del av Kammussla och Sjöman program – förlitade sig på standardelektronik, som var baserad på kiselhalvledare. Dessa är helt enkelt inte kapabla att fungera under de temperatur- och tryckförhållanden som finns på Venus yta, och kräver därför att de har skyddande höljen och kylsystem.
Naturligtvis var det bara en tidsfråga innan dessa skydd misslyckades och sonderna slutade sända. Rekordet uppnåddes av sovjeterna med sina Venera 13 sond, som sände i 127 minuter mellan dess nedstigning och landning. När man ser framåt vill NASA och andra rymdorganisationer utveckla sonder som kan samla in så mycket information som möjligt om Venus atmosfär, yta och geologiska historia innan de tar slut.
För att göra detta har ett team från NASA:s GRC arbetat med att utveckla elektronik som är beroende av kiselkarbid (SiC) halvledare, som skulle kunna fungera vid eller över Venus temperaturer. Nyligen genomförde teamet en demonstration med världens första måttligt komplexa SiC-baserade mikrokretsar, som bestod av tiotals eller fler transistorer i form av digitala logiska kärnkretsar och analoga operationsförstärkare.
Dessa kretsar, som skulle användas i de elektroniska systemen för ett framtida uppdrag, kunde fungera i upp till 4000 timmar vid temperaturer på 500 °C (932 °F) – visade effektivt att de kunde överleva under Venus-liknande förhållanden under lång tid perioder. Dessa tester ägde rum i Glenn Extreme Environments Rig (GEER), som simulerade Venus ytförhållanden, inklusive både extrem temperatur och högt tryck.
Tillbaka i april 2016 testade GRC-teamet en SiC 12-transistorringoscillator med GEER under en period av 521 timmar (21,7 dagar). Under testet visade de att de utsatte kretsarna för temperaturer på upp till 460 °C (860 °F), atmosfärstryck på 9,3 MPa och superkritiska nivåer av CO² (och andra spårgaser). Under hela processen visade SiC-oscillatorn god stabilitet och fortsatte att fungera.
SiC högtemperaturelektronik före och efter testning i Venus ytförhållanden (tålig drift under längre tid). Medverkande: Marvin Smith/David Spry/NASA GRC
Detta test avslutades efter 21 dagar på grund av schemaläggningsskäl och kunde ha pågått mycket längre. Ändå utgjorde varaktigheten ett betydande världsrekord, och var storleksordningar längre än någon annan demonstration eller uppdrag som har genomförts. Liknande tester har visat att ringoscillatorkretsar kan överleva i tusentals timmar vid temperaturer på 500 °C (932 °F) i jord-luft omgivningsförhållanden.
Sådan elektronik utgör ett stort skifte för NASA och rymdutforskning och skulle möjliggöra uppdrag som tidigare var omöjliga. NASA Vetenskapsuppdragsriktning (SMD) planerar att införliva SiC-elektronik på sina Long-Life In-situ Solar System Explorer (LLISSE). En prototyp utvecklas för närvarande för detta lågkostnadskoncept, som skulle ge grundläggande, men mycket värdefulla vetenskapliga åtgärder från Venus yta i månader eller längre.
Andra planer på att bygga en överlevbar Venus-utforskare inkluderar Automaton Rover för extrema miljöer (OMRÅDEN), till ' steampunk rover ” koncept som bygger på analoga komponenter snarare än komplexa elektroniska system. Medan detta koncept försöker avskaffa elektroniken helt och hållet för att säkerställa att ett Venus-uppdrag kan fungera på obestämd tid, skulle den nya SiC-elektroniken tillåta mer komplexa rovers att fortsätta arbeta under extrema förhållanden.
Bortom Venus kan den här nya tekniken också leda till nya klasser av sonder som kan utforska gasjättar – det vill säga Jupiter, Saturnus, Uranus och Neptunus – där temperatur- och tryckförhållanden har varit oöverkomliga tidigare. Men en sond som förlitar sig på ett härdat skal och SiC elektroniska kretsar kan mycket väl tränga djupt in i dessa planeters inre och avslöja häpnadsväckande nya saker om deras atmosfärer och magnetfält.
AREE är en urverksrover inspirerad av mekaniska datorer. Ett JPL-team studerar hur den här typen av rover kan utforska extrema miljöer, som Venus yta. Kredit: NASA/JPL-Caltech
Ytan på Merkurius kan också vara tillgänglig för rovers och landare med hjälp av denna nya teknik – till och med dagtid, där temperaturen når som högst 700 K (427 °C; 800 °F). Här på jorden finns det gott om extrema miljöer som nu skulle kunna utforskas med hjälp av SiC-kretsar. Drönare utrustade med SiC-elektronik kan till exempel övervaka oljeborrning på djupet eller utforska djupt in i jordens inre.
Det finns också kommersiella tillämpningar som involverar flygmotorer och industriella processorer, där extrem värme eller tryck traditionellt gjort elektronisk övervakning omöjlig. Nu skulle sådana system kunna göras 'smarta', där de kan övervaka sig själva istället för att förlita sig på operatörer eller mänsklig tillsyn.
Med extrema kretsar och (någon gång) extrema material kan nästan vilken miljö som helst utforskas. Kanske till och med det inre av en stjärna!
Vidare läsning: NASA