Een exotisch materiaal dat op het punt staat de voorkeurshalfgeleider te worden voor vermogenselektronica - omdat het veel efficiënter is dan silicium - wordt nu bekeken voor mogelijke toepassingen in de ruimte.

Twee NASA-teams onderzoeken het gebruik van galliumnitride, een kristalachtige halfgeleiderverbinding die voor het eerst werd ontdekt in de jaren tachtig, en wordt momenteel gebruikt in consumentenelektronica zoals laserdiodes in dvd-lezers. Onder de vele attributen, galliumnitride — GaN, kortom:vertoont minder elektrische weerstand en verliest dus slechts een klein deel van het vermogen als warmte. Het materiaal kan 10 keer de elektrische stroom van silicium aan, kleinere, sneller, en efficiëntere apparaten. In aanvulling, het is bestand tegen een breed temperatuurbereik, bestand tegen straling, en zoals blijkt, bedreven in het detecteren van energetische deeltjes.

Het is dan ook geen wonder dat wetenschappers en ingenieurs van NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, zijn geïnteresseerd om te zien hoe ze dit veelzijdige materiaal kunnen aanboren om de verkenning van de ruimte te verbeteren.

Met hun financiering ingenieur Jean-Marie Lauenstein en wetenschapper Elizabeth MacDonald onderzoeken Gallium-Nitride High Electron Mobility Transistors, of GaN HEMT's, voor gebruik bij het bestuderen van hoe de magnetosfeer van de aarde koppelt aan zijn ionosfeer - een belangrijke vraag op het gebied van heliofysica, die onder andere de krachten bestudeert die verandering in onze ruimteomgeving aandrijven. Stanley Hunter en Georgia de Nolfo, In de tussentijd, onderzoeken het gebruik van het materiaal op een solid-state neutronendetector die relevant is voor zowel de wetenschap als de binnenlandse veiligheid.

Gallium-nitride-transistoren

Galliumnitride-transistors of halfgeleiders kwamen in 2010 op de markt maar ze hebben hun weg nog niet gevonden in de instrumenten van ruimtewetenschappers, ondanks hun potentieel om de grootte van een instrument te verkleinen, gewicht, en stroomverbruik. Daar is een reden voor, zei Lauenstein. Hoewel wordt voorspeld dat galliumnitride resistent is tegen vele soorten stralingsschade in de ruimte, noch NASA noch het Amerikaanse leger heeft normen vastgesteld die de prestaties van deze transistor-compatibele apparaten kenmerken wanneer ze worden blootgesteld aan de extreme straling in de ruimte.

Wanneer getroffen door galactische kosmische stralen of andere energetische deeltjes, elektronische apparatuur kan catastrofale of voorbijgaande verstoringen van een enkele gebeurtenis ervaren. "We hebben normen voor silicium, " zei Lauenstein. "We weten niet of de methoden voor siliciumtransistoren van toepassing zijn op galliumnitridetransistors. Met silicium, we kunnen de drempel voor mislukking beoordelen."

Met de financiering, Lauenstein en MacDonald werken samen met het Los Alamos National Laboratory in New Mexico, een onderdelenfabrikant, en de NASA Electronic Parts and Packaging om criteria vast te stellen die garanderen dat een GaNs-type apparaat bestand is tegen de effecten van potentieel schadelijke deeltjes die worden geproduceerd door galactische kosmische straling en andere bronnen.

Het materiaal zou nuttig kunnen zijn in elektronenstraalversnellers - bestaande uit galliumnitride-transistors - die zijn gebouwd om specifieke magnetische lijnen in de beschermende magnetosfeer van de aarde in kaart te brengen naar hun voetafdrukken in de ionosfeer van de aarde, waar aurora optreedt - om te laten zien hoe de twee regio's van de nabije aardse ruimte aansluiten.

"Het onderzoek van het team naar stralingstolerantie helpt ons te begrijpen hoe we met deze versnellers kunnen vliegen in de barre ruimteomgeving gedurende de levensduur van de missie, ' zei Mac Donald.

Volgens Lauenstein, deze normen zullen ook andere wetenschappelijke disciplines ten goede komen. "We hebben een weg voorwaarts nodig voor deze technologie, Ze zei:"Dit opent de deur voor anderen om deze technologie op te nemen in hun eigen missies."

Potentieel "Spelveranderend"

Voor de Nolfo en Hunter, galliumnitride biedt een mogelijke oplossing voor het bouwen van een detector en het afbeelden van neutronen, die van korte duur zijn en meestal na ongeveer 15 minuten verlopen. Neutronen kunnen worden gegenereerd door energetische gebeurtenissen in de zon, evenals door kosmische stralingsinteracties met de bovenste atmosfeer van de aarde. De neutronen die door kosmische straling in de atmosfeer worden gegenereerd, kunnen bijdragen aan de stralingsgordel van de aarde - een stuk straling rond de aarde dat onder andere kan interfereren met satellietelektronica aan boord - wanneer ze vervallen. Onderzoekers hebben ontdekt dat GaN de basis kan vormen van een zeer gevoelige neutronendetector.

"Het galliumnitride-kristal zou voor ons het spel kunnen veranderen, ' zei de Nolfo.

Onder hun concept, Hunter en de Nolfo zouden een galliumnitride-kristal in een instrument plaatsen. Toen neutronen het kristal binnendrongen, ze verstrooien gallium- en stikstofatomen en, in het proces, wekken andere atomen op, die vervolgens een lichtflits produceren die de positie onthult van het neutron dat de reactie op gang bracht. Silicium-fotomultiplicatoren die aan het kristal zijn bevestigd, zetten de lichtflits om in een elektrische puls die door de sensorelektronica moet worden geanalyseerd.

"Galliumnitride wordt redelijk goed begrepen in de foto-elektronica-industrie, maar ik denk dat we de grenzen een beetje verleggen voor deze toepassing, ’ zei Jager, eraan toevoegend dat het mooie van het concept is dat het geen bewegende delen zou bevatten, gebruik weinig stroom, en opereren in een vacuüm. Als het werkt, het instrument zou verschillende ruimtewetenschapsdisciplines en het leger ten goede komen bij het opsporen van nucleair materiaal, hij voegde toe.