Europa is meer dan alleen een van de vele manen van Jupiter - het is ook een van de meest veelbelovende plekken in het zonnestelsel om naar buitenaards leven te zoeken. Minder dan 10 kilometer ijs is een oceaan van vloeibaar water die leven zou kunnen ondersteunen. Maar met oppervlaktetemperaturen van -180 graden Celsius en extreme stralingsniveaus is het ook een van de meest onherbergzame plekken in het zonnestelsel. Europa verkennen zou de komende jaren mogelijk kunnen zijn dankzij nieuwe toepassingen voor onderzoek naar silicium-germaniumtransistortechnologie bij Georgia Tech.

Regents' Professor John D. Cressler van de School of Electrical and Computer Engineering (ECE) en zijn studenten werken al tientallen jaren met silicium-germanium heterojunction bipolaire transistors (SiGe HBT's) en hebben ontdekt dat ze unieke voordelen hebben in extreme omgevingen zoals Europa .

"Door de manier waarop ze zijn gemaakt, overleven deze apparaten deze extreme omstandigheden zonder enige wijziging aan de onderliggende technologie zelf", zegt Cressler, de projectonderzoeker. "Je kunt het bouwen voor wat je wilt dat het op aarde doet, en je kunt het vervolgens in de ruimte gebruiken."

De onderzoekers zitten in het eerste jaar van een driejarige subsidie ​​in het NASA Concepts for Ocean Worlds Life Detection Technology (COLDTech)-programma om de elektronica-infrastructuur te ontwerpen voor komende Europa-oppervlaktemissies. NASA is van plan om in 2024 de Europa Clipper te lanceren, een ruimtevaartuig dat in een baan rond de aarde draait en de oceanen van Europa in kaart zal brengen, en uiteindelijk een landingsvoertuig, Europa Lander, zal sturen om door het ijs te boren en de oceaan te verkennen. Maar het begint allemaal met elektronica die kan functioneren in de extreme omgeving van Europa.

Cressler en zijn studenten demonstreerden samen met onderzoekers van NASA Jet Propulsion Lab (JPL) en de University of Tennessee (UT), de mogelijkheden van SiGe HBT's voor deze vijandige omgeving in een paper gepresenteerd op de IEEE Nuclear and Space Radiation Effects Conferentie in juli.

Europa's uitdaging

Net als de aarde heeft Jupiter ook een kern van vloeibaar metaal die een magnetisch veld genereert en stralingsgordels van hoogenergetische protonen en elektronen produceert uit de invallende zonnewind. Helaas, als een maan van Jupiter, zit Europa vierkant in die stralingsgordels. In feite zou elke technologie die voor het oppervlak van Europa is ontworpen, niet alleen in staat moeten zijn om de koude temperaturen te overleven, maar ook om de ergste straling van het zonnestelsel te doorstaan.

Gelukkig zijn SiGe HBT's ideaal voor deze vijandige omgeving. De SiGe HBT introduceert een Si-Ge-legering op nanoschaal in een typische bipolaire transistor om de eigenschappen ervan te nano-engineeren, waardoor een veel snellere transistor wordt geproduceerd terwijl de schaalvoordelen en lage kosten van traditionele siliciumtransistors behouden blijven. SiGe HBT's hebben het unieke vermogen om hun prestaties te behouden bij extreme blootstelling aan straling, en hun eigenschappen verbeteren natuurlijk bij koudere temperaturen. Zo'n unieke combinatie maakt ze ideale kandidaten voor Europa-verkenning.

"Het is niet alleen de basiswetenschap doen en bewijzen dat SiGe werkt," zei Cressler. "Het is eigenlijk elektronica aan het ontwikkelen voor NASA om op Europa te gebruiken. We weten dat SiGe hoge stralingsniveaus kan overleven. En we weten dat het functioneel blijft bij koude temperaturen. Wat we niet wisten, is of het beide tegelijkertijd zou kunnen doen, wat nodig voor oppervlaktemissies in Europa."

De transistors testen

Om deze vraag te beantwoorden, gebruikten de GT-onderzoekers JPL's Dynamitron, een machine die high-flux-elektronen schiet bij zeer lage temperaturen om SiGe te testen in Europa-achtige omgevingen. Ze stelden SiGe HBT's bloot aan een miljoen volt-elektronen aan een stralingsdosis van vijf miljoen rads straling (200-400 rads is dodelijk voor de mens), bij 300, 200 en 115 Kelvin (-160 Celsius).

"Wat nog nooit was gedaan, was om elektronica te gebruiken zoals we in dat experiment deden," zei Cressler. "Dus we hebben het eerste jaar letterlijk gewerkt om de resultaten te krijgen die in dat document staan, wat in wezen het definitieve bewijs is dat wat we beweerden echt waar is:dat SiGe de oppervlaktecondities van Europa overleeft."

De komende twee jaar gaan de onderzoekers van GT en UT daadwerkelijke circuits van SiGe ontwikkelen die op Europa kunnen worden gebruikt, zoals radio's en microcontrollers. Maar wat nog belangrijker is, deze apparaten kunnen dan naadloos worden gebruikt in bijna elke ruimteomgeving, ook op de maan en Mars.

"Als Europa de slechtste omgeving in het zonnestelsel is, en je kunt deze bouwen om aan Europa te werken, dan zullen ze overal werken", zei Cressler. "Dit onderzoek verbindt eerder onderzoek dat we in mijn team hier bij Georgia Tech al heel lang hebben gedaan en laat echt interessante en nieuwe toepassingen van deze technologieën zien. We zijn er trots op dat we ons onderzoek gebruiken om nieuwe innovatieve wegen in te slaan en daardoor nieuwe toepassingen mogelijk te maken ." + Verder verkennen

NASA-ruimtevaartuig zoemt Jupiter-maan Europa, het dichtst in jaren