Circuitos de rádio de carboneto de silício podem suportar o calor vulcânico de Vênus
Como artista, ele imagina um futuro Venus rover, que recebe energia do vento que sopra na densa atmosfera de Vênus.No
verão de 2020, no auge da pandemia, também houve vantagens. Um deles foi o vôo de astronautas americanos para a ISS e seu retorno bem-sucedido em um foguete comercial da SpaceX. Este evento foi importante por vários motivos, um dos quais é o seguinte: quando a NASA for dispensada da necessidade de entregar as pessoas à órbita baixa da Terra, a agência será capaz de mirar em alvos mais distantes. Talvez até para Vênus.
A empolgação com uma possível missão a Vênus estimulou a descoberta da fosfina em sua atmosfera - um possível sinal de vida microbiana (embora esta descoberta seja agora contestada). No entanto, as condições no segundo planeta do Sol são tão severas que a sonda que durou mais tempo lá, a Venera-13 (URSS), foi capaz de transmitir dados por apenas 2 horas e 7 minutos. A temperatura média na superfície de Vênus é de 464 ° C, a atmosfera está cheia de gotículas de ácido sulfúrico, metais que correm facilmente, e a pressão atmosférica na superfície é 90 vezes maior que a da Terra. Mesmo assim, os cientistas consideram Vênus o gêmeo de nosso planeta.
Os tamanhos e massas dos dois planetas são quase iguais. Com base em algumas evidências, enormes oceanos podem ter existido em Vênus por 3 bilhões de anos - e, portanto, poderia ter existido vida. Quais cataclismos levaram à perda de água por Vênus? Os cientistas planetários adorariam saber disso - talvez isso nos fale sobre nosso próprio destino em relação às mudanças climáticas.
Para resolver este e outros mistérios de Vênus, precisamos construir alguns veículos robóticos de descida inteligentes. Mas seremos capazes de fazer máquinas com ferramentas, meios de comunicação, controlados e móveis, capazes de sobreviver em um ambiente tão hostil não por horas, mas por meses e anos?
Podemos. A tecnologia de produção de materiais deu grandes passos desde 1960, quando a URSS lançou uma série de módulos de pouso para Vênus. Agora poderemos ter certeza de que o casco e a mecânica do futuro veículo de descida podem resistir lá por vários meses. E quanto a eletrônicos delicados? No ambiente venusiano, os sistemas de silício de hoje não duram um dia. Um dia terrestre, é claro - um dia em Vênus dura 243 dias terrestres. E mesmo os sistemas de resfriamento ativo não estenderão sua vida em 24 horas.
A resposta foi um semicondutor, combinando dois elementos comuns, carbono e silício, em uma proporção de 1 para 1: carboneto de silício, SiC. É capaz de resistir a temperaturas extremamente altas e funcionar perfeitamente. No Glenn Research Centerna NASA, os circuitos de carboneto de silício operam há mais de um ano a uma temperatura de 500 ° C. Isso demonstra o fato de que eles são capazes de suportar tais temperaturas e nos intervalos de tempo que a sonda venusiana exigiria.
O carboneto de silício já está sendo usado em circuitos de fornecimento de energia para inversores solares, eletrônicos de motores elétricos e interruptores de rede inteligente avançados. No entanto, a criação de circuitos de carboneto de silício capazes de dirigir um veículo todo-o-terreno nas condições infernais de Vênus e enviar dados de lá para a Terra testará o material até o limite de suas capacidades. Se formos bem-sucedidos, obteremos mais do que apenas um posto avançado móvel em um dos pontos menos amigáveis do sistema solar. Vamos entender como enviar sensores sem fio para lugares na Terra que nunca enviamos antes - para as lâminas de turbinas de aviões a jato e turbinas a gás, para os cabeçotes de perfuratrizes de petróleo, para o centro de várias fábricas de alta temperatura e alta pressão processos. A capacidade de colocar eletrônicos em tais locais pode reduzir o custo de operação e manutenção do equipamento.e também para aumentar sua eficácia e segurança.
Nossa equipe de cientistas do Royal Institute of Technology (KTI) em Estocolmo e da University of Arkansas em Fateville acredita que os circuitos de carboneto de silício podem fazer tudo isso e muito mais - eles são capazes de coisas que nem sequer podemos imaginar.
O Vulcan II é um chip digital e analógico de carboneto de silício projetado para testes de desempenho a 500 ° C. Até agora, fizemos 40 circuitos usando o chip Vulcan II e seu predecessor.
1. Gerador de anel
2. Conversores analógico-digital SAR de 8 bits e conversores analógico-digital rampa de 4 bits
3. Receptor RS 485
4. Adicionadores de 8 bits e multiplicadores de 4 bits
5. Temporizador 555
6. Três - amplificador operacional de palco
7. Conversor de corrente DC-DC
8. Drivers de porta integrados
Carboneto de silício não é um material novo. O início da sua produção em grande escala está associado ao nome de Edward Goodrich Acheson , que em 1895 inventou o processo de síntese do carboneto de silício (carborundum), que ainda hoje é utilizado para a produção. Ele tentou obter diamantes artificiais, mas como resultado do experimento, apareceram cristais de SiC. Pela primeira vez, o material foi usado com sucesso para trabalhar com eletricidade em 1906 - então Henry Harrison Chase Dunwoody inventou um detector de rádio. Até hoje, é considerado o primeiro dispositivo semicondutor comercial.
No entanto, é extremamente difícil estabelecer uma produção confiável de grandes cristais de carborundo. Foi só na década de 1990 que os engenheiros inventaram um equipamento capaz de desenvolver cristais bons o suficiente para serem usados na fabricação de transistores de potência. As primeiras placas de carboneto de silício tinham apenas 30 mm de tamanho, mas gradualmente a indústria mudou para placas de 50, 75, 100, 150 e até 200 mm. Aumentar o tamanho da placa aumenta a eficiência do dispositivo. Nos últimos 20 anos, a pesquisa e a produção avançaram tanto que já é possível comprar semicondutores de potência de carboneto de silício.
Um semicondutor de carboneto de silício tem várias propriedades muito atraentes. O primeiro deles é que a tensão de ruptura do carborundo é 10 vezes maior do que a do silício. Este é essencialmente o ponto em que o material se quebra e começa a conduzir eletricidade de forma incontrolável, o que às vezes leva a uma explosão. Portanto, de dois dispositivos do mesmo tamanho, um de silício e outro de carborundum, o segundo pode suportar 10 vezes mais voltagem do que o primeiro. E se você fizer dois transistores que podem suportar a mesma voltagem, um transistor de carboneto de silício pode ser muito menor do que um de silício. A diferença de tamanho dá a diferença no consumo de energia. Para a mesma tensão de ruptura (digamos, 1200 V), a resistência de ativação de um transistor de carboneto de silício será 200-400 vezes menor do que a de um de silício - portanto, as perdas de energia também serão menores.Devido ao tamanho menor do conversor de potência, é possível aumentar a frequência de chaveamento e, portanto, capacitores e indutores menores e mais leves.
A segunda propriedade surpreendente do carboneto de silício é a condutividade térmica. Quando o carborundum é aquecido pela corrente que passa por ele, o calor pode ser dissipado rapidamente, o que prolonga a vida útil do dispositivo. Entre os semicondutores com uma grande lacuna de banda, a condutividade térmica do carborundo só perde para o diamante. Esta propriedade permite que um transistor de carboneto de silício de alta potência seja conectado a um dissipador de calor do mesmo tamanho de um transistor de carboneto de silício de potência muito menor - e ainda tenha um dispositivo funcional e durável.
A terceira propriedade do carboneto de silício, e a mais importante para Vênus, é uma concentração muito baixa de portadores de carga à temperatura ambiente. Essa concentração informa quantos portadores de eletricidade estão liberando calor. Você pode pensar que a baixa concentração é ruim. Mas só se não estivermos falando de trabalho em altas temperaturas.
O fato é que o silício perde suas propriedades semicondutoras quando a temperatura sobe, não porque derrete ou queima. Ele simplesmente se enche de portadores de carga gerados pelo calor. O calor dá aos elétrons a energia que os arranca da banda de valência, onde estão ligados aos átomos, na banda condutiva, deixando buracos com carga positiva. Agora, esses elétrons com buracos contribuem para a condutividade. Em temperaturas moderadas, que para o silício é de 250-300 ° C, os transistores começam a fazer ruído e vazar corrente. Em temperaturas mais altas, a concentração de portadores de carga torna-se muito alta e o transistor não pode mais ser desligado - e eles se tornam algo como um interruptor preso na posição "ligado".
A reserva de temperatura do carborundum até o momento em que ocorre o "estouro do transistor" é muito maior - funciona também em temperaturas acima de 800 ° C.
Todas essas propriedades permitem que o carboneto de silício opere em maior tensão, potência e temperatura do que o silício. E mesmo em temperaturas que funcionam para o silício, o carboneto de silício geralmente tem um desempenho melhor porque esses dispositivos podem ser trocados com mais frequência e com menos perdas. O resultado são dispositivos, circuitos e sistemas mais confiáveis e eficientes. Eles são menores, mais leves e capazes de sobreviver nas condições de Vênus.
Componente crítico: o módulo de pouso venusiano precisará de um receptor e transmissor de rádio para se comunicar com a Terra. Um de seus componentes mais importantes é o mixer de frequência. Ao receber um sinal, ele converte o sinal da portadora de 59 MHz para uma frequência de 500 kHz, mais adequada para digitalização e processamento. Na transmissão, ele realiza a transformação inversa. No coração do misturador está um transistor de junção bipolar de carboneto de silício projetado para operar em temperaturas de até 500 ° C.
Embora o módulo de pouso precise de uma variedade de transistores de potência de alta tensão, a maioria dos circuitos - processador, sensor, rádio - exigirá transistores de baixa tensão de operação. Até agora, poucos desses transistores são feitos de carborundum, mas graças ao problema com os gabinetes, um começo foi feito.
Quando as aplicações comerciais foram encontradas para dispositivos de alimentação de carboneto de silício discretos, os engenheiros perceberam a necessidade de reduzir os fatores parasitas elétricos - resistência indesejada, indutância e capacitância - que levam ao desperdício de energia. Uma maneira de fazer isso é integrar melhor os circuitos de controle, driver e proteção com dispositivos de energia, melhorando o layout do circuito. Na eletrônica de potência de silício, esses circuitos estão localizados em placas de circuito impresso. Mas nas frequências mais altas que os transistores de potência SiC podem alcançar, as características parasitas do PCB podem ser muito altas, resultando em ruído excessivo. Empacotar ou mesmo combinar esses circuitos com dispositivos de energia eliminará o ruído. Mas a última opção significaria a necessidade de fabricar esses circuitos de carboneto de silício.
Para operação em temperatura ambiente, o carboneto de silício não é a melhor opção por vários motivos. Talvez o mais importante deles seja que o consumo de energia e a voltagem não serão baixos o suficiente. O pequeno gap do silício significa que a microeletrônica pode operar a uma voltagem de 1 V. No entanto, o bandgap do carborundo é quase três vezes maior. Portanto, a tensão mínima necessária para bombear a corrente através do transistor - a tensão limite - também será maior. Para nossa microeletrônica de carboneto de silício de "baixa tensão", geralmente usamos 15 V.
Vários pesquisadores têm tentado criar microeletrônica de baixa tensão em carborundum por mais de 20 anos. O progresso foi modesto no início, mas vários avanços foram alcançados nos últimos 10 anos.
. . 250 °, 1000 °.
Um dos primeiros circuitos principais para microeletrônica criado por engenheiros em Arkansas foi um driver de portão, que aciona um transistor de potência através de um eletrodo de entrada, ou portão. Já fizemos várias versões deste circuito e o testamos para funcionar em temperaturas semelhantes às de Vênus. O dispositivo permitiu um controle muito preciso das fontes de alimentação, maximizando a eficiência e minimizando a interferência eletromagnética. A parte mais difícil foi desenvolver um esquema que possa se adaptar às condições mutáveis e levar em consideração os efeitos do envelhecimento, que provavelmente se manifestarão nas condições adversas de Vênus.
Os drivers do obturador são importantes, mas do ponto de vista dos cientistas que desejam estudar outros planetas, o sistema mais importante será o transmissor de rádio. Não faz sentido enviar um conjunto de instrumentos científicos para outro planeta se é impossível transferir os dados recebidos para a Terra.
Será ainda mais importante montar um rádio compacto e confiável, pois ele poderá transmitir dados dentro do próprio rover em vez de milhares de fios. Substituir os fios pelo controle sem fio reduz significativamente o peso do dispositivo - e isso é muito importante para uma viagem de 40 milhões de km.
Portanto, em nosso último projeto, lidamos principalmente com o desenvolvimento e teste de componentes para um transceptor de rádio interplanetário baseado em carboneto de silício. Ninguém escolheria o carborundum em primeiro lugar, por exemplo, para a fabricação de uma estação de rádio operando em frequências 5G na Terra. Em primeiro lugar, à temperatura ambiente, a mobilidade dos portadores de carga no carborundum - e este é um dos parâmetros que determina as frequências máximas que um semicondutor pode amplificar - é menor que a do silício. Mas em temperaturas como a da superfície de Vênus, o silício não funciona, então faz sentido adaptar o carboneto de silício para essa finalidade.
Quando se trata de radiofrequências, o carborundum tem uma vantagem. O pequeno número de portadores de carga garante uma baixa capacitância parasita do material. Ou seja, como há poucas cargas, é improvável que elas interajam de forma que a eficiência do dispositivo diminua.
Nossa arquitetura de transceptor escolhida é chamada de LO de baixa frequência intermediária . ... Hetero significa "outro" em grego e -din significa "energia". Para entender como funciona, vamos seguir o sinal, começando pelo receptor. Os sinais de rádio da antena são processados por um amplificador de baixo ruído, após o qual são enviados para o mixer. O mixer combina o sinal recebido com outra freqüência, próxima à portadora. O resultado é um sinal com duas novas frequências intermediárias - uma delas é mais alta que a da portadora e a outra é mais baixa. Em seguida, o filtro passa-baixa elimina o filtro superior. A frequência intermediária restante, que é mais conveniente de processar, é amplificada e digitalizada pelo ADC, e os bits recebidos são transmitidos para a unidade de processamento digital.
A implementação final do circuito que realizava todas essas funções foi determinada pelo modo como o transistor bipolar desenvolvido no KTI funcionava em altas frequências. O resultado é um transceptor operando na frequência de 59 MHz, que é um equilíbrio entre as restrições do transistor na frequência de cima e as capacidades dos componentes passivos do circuito, que caem quando as frequências são reduzidas. Os veículos de descendência soviética usavam uma frequência próxima de 80 MHz. É provável que as estações modernas transmitam informações a uma espaçonave em órbita, que pode então usar as frequências do espaço profundo da NASA para retransmitir as informações para casa.
Uma das partes mais importantes do transceptor é o mixer de frequência, que reduz a frequência de 59 MHz para 500 kHz. Em seu coração está um transistor bipolar, cuja entrada sinaliza 59 MHz e 59,5 MHz. Sua saída de coletor é conectada a um conjunto de capacitores e resistores capazes de operar a 500 ° C, filtrando a alta frequência, e deixando apenas uma frequência intermediária de 500 kHz.
Distribuição de calor no driver de porta de carboneto de silício em testes
Comparado com componentes analógicos e digitais de baixa frequência a jusante do mixer, o processamento de sinal de RF tem sido um desafio em todos os estágios de desenvolvimento. Não havia modelos exatos do transistor, havia problemas com o casamento de impedância, com a confiabilidade dos resistores, capacitores, indutores e placas de circuito impresso.
A propósito, as placas de circuito impresso não se parecem com as que você está acostumado. As placas FR-4 que fornecem energia para tudo, desde dispositivos móveis até os servidores mais legais, enfraqueceriam e desmoronariam em Vênus. Usamos cerâmicas co-queimadas de baixa temperatura . Os chips são conectados a essa placa mais forte com condutores de ouro, não de alumínio, que amoleceriam rapidamente. Em vez de vestígios de cobre que se desprenderiam, os componentes são conectados por condutores de prata, alguns dos quais revestidos de titânio. As espirais de ouro atuam como indutores (sim, essas placas serão caras).
Embora o mixer de frequência seja uma coisa muito importante, o Venus rover precisará de muito mais do que qualquer outra coisa. Até agora, nós, cientistas da Universidade de Arkansas e do Royal Institute of Technology, projetamos, construímos e testamos 40 circuitos diferentes para operar em condições de 500 ° C. Entre eles estão outros circuitos de rádio, partes analógicas do transceptor, muitos dispositivos digitais para processamento de dados do transceptor e futuros sensores para exploração planetária. Muitos deles são familiares a qualquer engenheiro - temporizador 555, ADCs de 8 bits, loop de bloqueio de fase e um conjunto de circuitos lógicos booleanos. Claro, como tudo isso foi feito à mão em pequenos lotes, os testes de longo prazo ainda não foram realizados. Em nossos laboratórios, testamos esses dispositivos em condições de alta temperatura por uma a duas semanas.No entanto, somos inspirados pelos resultados de experimentos de longo prazo de outros grupos, a julgar pelos quais, nossos circuitos serão capazes de funcionar por mais tempo.
Em particular, o Glenn Research Center da NASA recentemente fez circuitos integrados baseados em carboneto de silício, 200 transistores por chip, que trabalharam por 60 dias em uma câmara simulando as condições de Vênus. A câmara tinha pressão de 9,3 MPa, temperatura de 460 ° C e atmosfera planetária corrosiva. Nenhum dos transistores falhou - o que significa que eles poderiam durar muito mais tempo.
Ainda há muito a ser feito. Precisamos nos concentrar na integração dos vários circuitos projetados e na melhoria da eficiência daqueles já em operação. Precisamos desenvolver outros circuitos e provar que eles podem funcionar de maneira estável por muitos meses e anos sob as condições de temperatura da superfície de Vênus. E isso é especialmente importante se dispositivos de rádio e outros sistemas de baixa potência baseados em carborundum forem usados em aplicações comerciais, como o estudo de turbinas a gás e a jato. Se você começar a trabalhar e priorizar corretamente, não levará décadas, mas vários anos.
Os circuitos de carboneto de silício estarão prontos para uma futura missão a Vênus? Seria mais correto dizer que o vôo não estaria pronto sem eles.