På Kungliga Tekniska Högskolan i Stockholm har man pysslat med rymden ganska länge. I projektet Working on Venus flyttades fokus till planeten Venus och de speciella förhållanden som gäller i denna super-bastu.
Venus lyser över KTH i Kista
Det är oktober 2019. Vi befinner oss i en professorstät föreläsningssal på Albanova i Stockholm. Projektet Working on Venus har pågått sedan 2014 och nu är det dags att leverera ett resultat som förhoppningsvis kan göra både vetenskap och sponsorer glada. Upp till bevis!
Professorerna Carl-Mikael Zetterling, Mikael Östling och Christer Fuglesang leder tillställningen. Just i detta ögonblick får vi en genomgång av hur NASA tänker sig att genomföra en färd och hur de avser att bygga in sin elektronik i ett kylskåp, vilket förmodligen inte kommer att låta sig göra.
KTH har varit radikalare och anpassat sig till förhållandena på den stekheta planeten. Beklagligtvis är det väl så att även om KTH kan visa upp elektronik som fungerar, behövs det en raket och en kommunikationssatellit också och sådana tar tid att finansiera och bygga.
Oaktat detta har forskargruppen arbetat på och kunde vid detta tillfälle visa upp en färdig kiselskiva med de allra flesta kretsar som skulle komma att behövas i en framtida venussond. Kiselkarbid var det material man valde och lite grovt kan man säga att kiselbrickan utan vidare skulle kunna ställas ned i en brödrost och fortsätta fungera som om ingenting hänt.
Åtta doktorander har producerat femtio vetenskapliga artiklar och hundratals integrerade kretsar som grillats i 500 graders temperatur för att visa att det går att göra. Maskinerna i renrummet på Myfab i Kista har gått varma (!), vakuum har pumpats, joner har implanterats, aluminium har förångats och platinatrådar har bondats. Mikroskop har smält ned och höga spänningar har slagit över.
Bilden visar en fjärdedel av en färdig kiselkarbidbricka, med ungefär 3 centimeters sida. Du ser fyra likadana samlingar med kretsar. De råkar sitta samlade på samma kiselchip för att det är enklast att framställa dem så, men i produktion ska de naturligtvis användas separat. Det allra största komplexet är fyrabitars-processorn och den näst största är kamerakretsen.
Kort om Venus
Bild: ESA
Venus, aftonstjärnan, morgonstjärnan är en mystisk, mytisk planet höljd i täta moln. Det går inte att se ytan från rymden. Man kan bara se grova ytfenomen i kortvågigt infrarött eller kartera med radar. Man måste landa på planeten för att kunna se, mäta och förstå något. Man måste dessutom kunna observera tillräckligt länge för att något av vikt ska hinna inträffa, gärna mer än ett venusdygn, kanske 200-300 jorddygn.
Utsikt från Venera 13. Bild: Sovjetiska Vetenskapsakademin, bearbetad at dr Don P Mitchell.
De ryska farkosterna Venera 7 – Venera 14 är de enda som någonsin lyckats landa på Venus och skicka hem färgbilder, innan farkosterna svettades ihjäl och moderskeppet som skulle vidarebefordra bilderna till Jorden, hade farit förbi Venus och tappat kontakten med landaren. Bilderna var fantastiska då (1982) men inget vidare med dagens mått mätt. De sovjetiska bilderna har senare bearbetats av amerikanen Don Mitchell och försetts med korrekt färgskala etc. Grejen som ligger mitt fram i bilden är ett avkastat linsskydd och armen till vänster är en seismisk sensor.
Så här ser det ut på Venus. Kanske. Det är en tänkt vy av venusytan, sammansatt av en radarbild tagen av NASAs Magellan-sond 1989 och med himmelsfärger enligt Don Mitchells bedömning, samt en del svavelosande himmelsdis. Fotomontage av undertecknad.
Det finns trevligare ställen än Venus att utforska om man vill att elektroniken ska komma lindrigt undan. Temperaturen på ytan är 460 grader och det är vad som sätter stopp för vanligt kisel. Man hade visserligen kunnat ta med sig ett superkylskåp till Venus att förvara elektroniken i. Då hade man kunnat använda helt vanliga mikroprocessorer i kisel med miljarder transistorer. Men tyvärr måste sensorerna ändå sitta på utsidan och bli 460 grader varma. Att bygga ett kylskåp som håller ett venusdygn (243 jorddygn) är inte heller görligt. Elektroniken måste helt enkelt tåla den höga temperaturen för att kunna arbeta på Venus.
Atmosfären består huvudsakligen av koldioxid och håller ett yttryck på 95 bar. Det är egentligen toppen. Det är en densitet i stil med vatten, vilket gör att atmosfären kommer att bromsa en landarfarkost och sätta ned den ganska försiktigt.
Det finns ännu värre ställen för elektronik i solsystemet, om man verkligen vill. Jupiter har till exempel ett så starkt magnetfält att solvindens laddade partiklar som faller in i magnetfältet åstadkommer så mycket strålning att en människa skulle dö på ett par minuter. Kiselelektronik som används i dessa områden måste specialhärdas för att klara strålnivåerna. Jupiter verkar som ett bra driftfall för den stråltåliga kiselkarbiden.
Wow-faktorn
KTH sökte tidigare pengar från industrin för forskning kring högtemperaturhalvledare för industriellt bruk, men intresset var svalt. Finansiärerna hade svårt att se ekonomin i det. Det behövdes en wow-faktor, något som kunde räknas som ett genombrott, om inte annat för att locka flera studenter och doktorander att ta sig an problemet. Projektledarna drog sig tillbaka och formulerade om målsättningen.
2013 bad KTH Knut och Alice Wallenbergs stiftelse (KAW) om pengar för att kunna göra grundforskning kring högtemperaturhalvledare till exempel för sensorer och elektronik i gasturbiner och jetmotorer och för krafthalvledare. Det är långsiktig grundforskning som inte ger vinst på en gång. Man behövde en lockande titel och efter lite funderingar kläckte man en riktig kioskvältare. Varför inte studera högtemperaturelektronik för bruk på Venus, en planet med 460 grader varm atmosfär. Vi kanske kan kalla projektet för ”Working on Venus” (WoV)? Det slog an hos stiftelsen och strax var projektet igång.
Det slog an hos studenterna också, som tyckte att det lät betydligt mera spännande med venusfärder än med högtemperaturhalvledare och stod i kö för att få vara med i projektet.
Avsikten var att utveckla elektronik som kunde arbeta obehindrat i venusatmosfären. Koldioxid och 92 bars tryck spelar ingen större roll för halvledaren, men 460 grader är rena döden för kisel. Lösningen heter kiselkarbid, en kristall av kisel och kol.
4H-SiC-kristallstruktur Bild: Materialscientist, CC BY-SA 3.0
Kiselkarbid (SiC) är ingen nyhet direkt, utan har varit känd som karborundum, slipsten, i århundraden, men en särskild form av SiC kallad 4H visade sig vara utmärkt för att bygga upp logikkretsar, såväl som analoga kretsar. Inte heller 4H-SiC är någon nyhet. Krafttransistorer i SiC får utmärkta högspänningsegenskaper och snabba omslagstider och det har industrin utnyttjat länge, till exempel i drivenheter för ellok med hög verkningsgrad och litet kylbehov.
Men ingen har gjort mikroprocessorer och kamerakretsar av SiC förut.
Professor Mikael Östling, forskningsledare för WoV-projektet
– Vilka var projektets förutsättningar? Vad förväntade sig sponsorerna?
– Vi lovade att kunna demonstrera alla elektroniska kretsar som skulle kunna behövas för en venuslandare och att de skulle fungera upp till 460°C. Vi behövde kunna visa sensorer, förstärkare, A/D-omvandlare, mikroprocessor, radiokretsar och kraftförsörjning. Vi lovade emellertid inte att allt skulle kunna kopplas ihop och vara reda att skickas iväg till Venus.
Systemet
Men kopplas ihop måste det.
Här är projektgruppens schematiska bild av hur en landarfarkost bör bestyckas och kopplas samman.
Allting börjar med sensorerna till vänster. Sådana, av vad typ de vara må, producerar ganska blygsamma utspänningar, som måste förstärkas med analoga förstärkare (A). Datorn har inte mycket nytta av värdena om de inte först digitaliseras i en analog/digital-omvandlare (ADC).
De digitaliserade värdena kan hämtas in och bearbetas av mikrodatorn (MCU) som dessutom behöver förses med ett styrprogram som lagras i ett minne. Utdata ska sändas till Jorden via radio. Till detta behövs högfrekvenskretsar och förstärkare till sändaren (A). Kommandon från Jorden måste kunna tas emot, vilket sköts av en radiomottagare, som även den behöver förstärkare, lokaloscillator och mellanfrekvensdel.
Elkraften tas lämpligen från en RTG, en radioisotopgenerator. Det är en klump plutonium som är varm av sig själv, som klätts in med termoelement som alstrar ström med hjälp av temperaturskillnaden mellan den ände av termoelementet som vetter mot plutoniet och den ände som sitter på kylflänsarna som omger konstruktionen, den termoelektriska effekten. RTG används för övrigt i både marsbilarna, Cassini, New Horizons och voyagerfarkosterna. Men utspänningen är inte riktigt den man behöver, utan den måste stabiliseras och styras med effekkretsar (PSU – power supply unit).
Allt detta måste fungera klanderfritt vid 460ºC.
Resultat
Projektet resulterade både i enklare analoga kretsar och mera komplexa digitala dito. Dessutom kunde man bygga radiofrekvenskretsar som klarade 56 megahertz. Men var så säker på att en venusfärd har behov av alla varianter.
Grundkomponent: OP-förstärkare – Raheleh Hedayati
Helt vanliga OP-förstärkare är nödvändiga för förstärkning av mätvärden från olika sensorer och som byggblock i andra kretsar. En kretslayout så som den ser ut i mikroskop, visas ovan. Den stora rektangeln till höger är en kondensator som används för återkoppling. Heyadati provade flera olika layouter och kunde åtminstone komma upp i 100 kHz bandbredd med hygglig förstärkning. Intressant nog förändras karaktäristiken inte mycket mellan rumstemperatur och 500 grader.
Utsignalen från OP-förstärkare tenderar att hamna i…
Grundkomponent: A/D-omvandlare – Raheleh Hedayati
För att processorn ska kunna hantera och utföra matematik med sensorernas värden måste de analog-digitalomvandlas.
Hedayati provade olika kretslösningar, bland annat en åttabitars R-2R-omvandlare med följande koppling.
Switchkretsarna ligger utspridda längs kretsens kanter, medan R-2R-motståndsstegen ligger i mitten. Bilden till vänster är layouten i CAD-programmet och bilden till höger är den färdiga kiselkretsen.
Hon provade också en fyrabitars flashomvandlare som nådde över 200 kHz omvandlingsfrekvens.
Kretsens mått är 5,48 x 6,02 mm. De grova ledarna som går i ring kring kretsen är strömförsörjningen. Bipolära kretsar drar ordentligt med ström.
Hon provade också en 10-bitars A/D-omvandlare som arbetar med successiv approximation (SAR). Den innefattar kretsar för sample-and-hold, en komparator, en D/A-omvandlare och styrlogiken för den successiva approximationen (SAR).
Den lilla R-2R-omvandlaren ligger till vänster. Igen ser du de kraftiga strömförsörjningsledarna runt kretsens kanter. Den här kretsen är bara 5,22 x 9 mm men den drar hela 800 mA vid 15 volt och förbrukar hela 10 watts effekt. Men det spelar inte någon roll att den blir varm.
Humordetalj: 555
Naturligtvis konstruerade WoV-gruppen en egen version av timerkretsen 555, en av de mest användbara integrerade kretsar som någonsin uppfunnits.
555-an är en sorts universalkrets som kan användas som astabil multivibrator och mata ut en fyrkantvåg, eller som pulsbredds- eller frekvensmodulator och den kan dessutom mata ut enskilda pulser av bestämd längd. Tidningen IEEE Spectrum tog år 2009 med 555:an i sin lista ”25 integrerade kretsar som skakat världen” Varje år tillverkas en miljard 555:or. Den var naturligtvis användbar i WoV-projektet också. Den vanliga 555:an klarar inte högre temperaturer än 70 grader, men WoV-versionen mår förträffligt även vid 500 grader.
Den är ungefär lika snabb som sin motsvarighet i kisel. Vid 500 grader kan den mata ut en fyrkantvåg på 200 kHz, i stil med kiselvarianten.
Sändare, mottagare, högfrekvenskomponenter – Muhammad Waqar
Bilden nedan visar huvuddelen av en radiomottagare, nämligen blandarsteget. Högfrekvens-signalen från antennen och lokaloscillatorn kommer in från vänster och mellanfrekvensen går ut åt höger. Hela kretsen är uppbyggd på ett keramiskt kort med mikrostripline för att den ska tåla att provas i 600 graders temperatur.
Den lilla fyrkantiga, brunaktiga kretsen i mitten är de SiC-transistorer som används i kopplingen. Alla övriga, ytmonterade komponenter är motstånd.
Kopplingsschemat ser ut så här. Högfrekvenssignalen (RF) kommer in från vänster och blandas med lokaloscillatorsignalen (LO). Ut ur transistorn kommer skillnads- och summafrekvenser och man väljer ut skillnadsfrekvensen i ett lågpassfilter (LPF) och matar ut den som mellanfrekvens (IF).
Forskarna tänker sig att kommunikationen mellan venuslandaren och Jorden måste gå via en reläsatellit som far fram på låg höjd över Venus. Den kan lyssna på den relativt svaga landaren som sänder på 56 megahertz och skicka data vidare till Jorden på mera gängse 4 gigahertz. Man gör exakt detsamma med de bilar som just nu far omkring på Mars. De pratar också med reläsatelliter som ligger i omloppsbana kring planeten.
Anledningen till att man valt 56 MHz är att det är enkelt att bygga högfrekvenskomponenter för dessa frekvenser. Det finns ingen anledning att välja någon högre bärvågsfrekvens. Bandbredden är inte så enorm att man behöver högre frekvens.
Designsystem (Process Design Kit, PDK) – Muhammad Shakir
Analoga kretsar och enkel TTL kan man layouta för hand, men när det kommer till mera avancerade kretsar, som en processor, måste man använda sig av CAD, alltså datoriserade konstruktionssystem. Eftersom det inte fanns något sådant som kunde hantera och simulera TTL på SiC och hur den skulle bära sig åt vid 500 grader, fick projektgruppen skapa ett eget system.
2-ingångars NAND-grind, schema och CAD-layout på SiC.
Minst lika viktigt som att utarbeta metoder för att använda SiC är det att kunna konstruera digitala kretsar på ett effektivt och säkert sätt. Därför var projektgruppen tvungen att utveckla ett CAD-system som kunde göra automatisk layout av TTL-kretsar utifrån ett givet schema och därefter simulera kretsarnas funktion från rumstemperatur och ända upp till 500 grader.
Systemet använder sig av ett antal fördefinierade, grundläggande byggstenar i TTL, bygger ihop dem enligt schemat och kopplar på matningsspänningar.
Prof Zetterling:
– Vi har ett samarbete med University of Arkansas där de får använda vårt designsystem PDK och konstruera sina kretsar, varefter vi tar CAD-filerna och framställer kislet. Vi har redan kört en batch åt dem.
Processor – Muhammad Shakir
Den utan tvekan mest komplicerade delen är processorn. Den kan ses som en ASIC (Application Specific Integrated Circuit) med över 5000 transistorer. Visst, det är inget mot Intels senaste maskiner med en miljard transistorer, men Intels grejor skulle inte fungera på Venus, heller. Och andra, hisnade framgångsrika rymdfärder har klarat sig bortom solsystemet med mindre processorresurser. Voyager-sonderna hade hela 32 kiloords minne, alltså inte gigabyte eller megabyte utan 32 tusen maskinord. Elektroniken har hittills fungerat i 42 år och Voyager kommunicerar dagligen med Jorden, fortfarande, långt utanför solsystemet.
Vad som behövdes var en fyrabitarsprocessor, uppbyggd med standardcell-biblioteket i TTL som fanns i PDK. Den fick en ganska begränsad instruktionsuppsättning med 9 instruktioner, 128 bitars primärminne delat i två 64-bitars-delar, 4-bitars bidirektionell I/O-buss.
Här ser du blockschemat för processorn och primärminnet. Processorn och ALU:n syns till vänster och programräknaren syns överst. De register som behövs för att hålla data som ska skrivas i minnet syns strax ovanför detsamma och registren som håller utläst data syns precis till vänster. Du ser att det finns ett op-kod-register och ett General-Purpose-register. Instruktionerna är åtta bitar långa och den övre nibbeln används för op-koden och lagras i minnessystem 2 medan den lägre nibbeln används till operanden och lagras i minnessystem 1.
Kretslösningen mäter 13,2 x 11,4 mm. Själva processordelen med register, programräknare, ackumulator etc befinner sig upptill, medan primärminnet på 2×64 bitar är de regelbundna mönstren nedtill.
Matningsspänningen flyter i de metalliserade ringarna runt kretsarna och kan hantera 2,3 ampere i toppström!! Processorn är uppbyggd i TTL-teknik och drar sina modiga ampere.
Icke-flyktigt minne – Mattias Ekström
Processorn har eget internt statiskt halvledarminne, men tyvärr förlorar det sin information när drivspänningen stängs av, som den utan tvekan kommer att göra under överfärden till Venus. Därför behövs permanent lagring av program och data. En sak är helt säker: det kan inte skötas med en hårddisk. Därför utvecklade projektgruppen ett icke-flyktigt ferroelekriskt minne, lite grann à la kärnminne, som behåller sin information trots att temperaturen är 500 grader.
Seismiska och andra MEMS-sensorer – Miku Laakso
Bild: NASA
Infraröda bilder av venusytan visar att vulkanutbrott sker i modern tid. Den här bilden togs av ESAs farkost Venus Express år 2014 och det röda är lava som rinner ut ur vulkanen Idunn Mons. Lavan är varm ett par månader, men försvinner sedan i bakgrundsstrålningen från den heta planetytan. Därför är det viktigt att kunna mäta den seismiska aktiviteten på Venus.
För att kunna lyssna efter venusskalv och liknande behövs en seismisk sensor, Här valde man att ta en befintlig sensor i SiC från leverantören Colibrys och undersöka hur höga temperaturer den klarade. Standardversionen klarade bara 125ºC men man anser att med lite modifikationer går det at pressa upp den över 400ºC.
MEMS-enheten sitter till höger i bild, medan plattan till vänster är drivelektroniken. Principen för en MEMS-sensor är att man har en tunn tunga av kisel inuti en liten kammare, och mäter kapacitansen mellan tungan och kammarens tak, respektive golv.
När hela konstruktionen rör sig, skakar eller vibrerar slår tungan upp och ned och kapacitansen mellan tungan och tak och golv ändras eftersom avstånden ändras. Kapacitansändringen blir då ett mått på vibrationen. Kapacitanserna är omkring 1 nanofarad och tungan klarar ända upp till 2 kHz.
Gassensor – Lida Khajavizadeh
En gassensor behövs för att slutligen kunna avgöra vilken atmosfär som finns på Venus. Den måste tåla att arbeta i 500ºC under lång tid utan att värdena och mätnoggrannhet förändras.
Det har man klarat med en särskilt skapad MESFET-transistor utförd i SiC. Den har klarat kväve, syre, vattenånga och kanske viktigast, svaveldioxid vid 500 grader utan att förändras.
Principen går ut på att man låter gasen som ska mätas flöda över transistorn och när gasatomerna implanteras i MESFET-transistorns gate-metall förändras gatens egenskaper och därmed strömmen genom transistorn – vips, en gassensor.
Bildsensor – Shuoben Hou
Trots alla gas- och vibrationssensorer, vill vi ändå kunna se venusianerna, slätterna, bergskedjorna och eventuellt Solen (om den skulle orka genom molnen). Då behövs en kamerakrets.
Kamerakretsen, digitalkameran eller vad du vill kalla den är i prototypform bara 16×16 pixel. Den stora matrisen på bilden är pixlarna och småkrafset intill varje sensors är utläsningselektroniken. De vertikala raderna till vänster är adresseringselektroniken och rad- och kolumndekodrarna som söker av alla bildpunkterna. De grova ledarna hör till strömförsörjningen.
Avkodningen av sensormatrisen är ganska rakt på sak. Matrisen har 16 kolumn- och 16 radledningar och den pixel som får låg nivå på både rad- och kolumnledning levererar sin videonivå på utgången. Där tar en förstärkare hand om den. Man låter 8-bitarsräknaren räkna runt, runt, runt, och då kommer det ut video.
Så här ser en rå bild ut, tagen direkt från sensorn, när halva sensorn belysts och ljuset tonat ut åt vänster. Inte imponerad? Bruset är inte direkt i klass med vad man kan förvänta sig av en modern digitalkamera. Men du får ta med i beräkningen att ingen någonsin utvecklat en optoelektronisk krets i kiselkarbid förut. Det du ser här är ett vetenskapligt genombrott.
Som tur är, kan man kompensera för pixlarnas ofullkomligheter i programvara efteråt. Konstruktionsteamet provade att projicera bokstäverna “KTH” på sensorn och redovisa resultatet.
Med kompensation för matrisens ofullständigheter kunde man framställa bilderna ovan, vid 400 graders temperatur. Ovanför bilderna ser du videon som klockades ut ur matrisen. Den avsöks alltså uppifrån och från vänster.
Finns det några venusianer, kommer vi att se dem.
Kraftkällan och dess hantering – Juan Colmenares Herrera
En radioisotopgenerator för montage på sonden Cassini-Huygens. Vingarna som sticker ut är kylflänsar som ska kyla det kalla lödstället i termogeneratorn. Det varma lödstället värms av en klump plutoniumoxid inuti konstruktionen. Den täta atmosfären på Venus kommer att fungera som utmärkt ”kylmedium”. Bild: NASA
RTG-generatorn lämnar alldeles för hög utspänning. Den måste switchas ned till elektronikens arbetsspänningar med ett switchaggregat. Inget konstigt med det. Problemet har varit att hitta induktanser och kondensatorer som tål de höga temperaturerna. Men det gick.
Leveransen i sammanfattning
Hela leveransen får plats på en enda SiC-chip som är cirka 20 x 20 mm stor. Där finns en 4-bitars processor med eget primärminne, några A/D-omvandlare och analoga förstärkare och bildsensorn på 16×16 pixel. Alltihop har provats och går bra upp till 600 graders värme!
Det var precis vad sponsorerna hade förväntat sig. Varje chip innehåller 5911 bipolära transistorer, 3918 motstånd och ett antal kondensatorer, som ser ut som stora vita fyrkanter. Anledningen till att det är så grova ledare kring processor och A/D-omvandlare är att de drar förhållandevis mycket ström. Det är TTL och inte CMOS.
Professor Zetterling visar ett exemplar av den färdiga kiselkretsen.
– Tror du att sponsorerna är nöjda med resultatet?
– Det tror jag nog. Nog har vi stött på svårigheter, Vissa kretslösningar har vi inte kunnat visa fullt ut, men givet mera tid och pengar kan vi bygga en fungerande venuslandare. Men detta är grundforskning och det brukar inte fungera omedelbart. Pixeldetektorn (kamerakretsen) är måhända inte helt optimal.
– Vilka nya kunskaper borde man kunna förvänta sig av ett venusprojekt?
– Vi förväntar oss mera kunskaper om vår närmsta grannplanet. De tidigare landningarna som Sovjetunionen utförde, levde så kort tid. Man hann få in lite mätdata, men med en sond som klarar sig i två månader eller två år, kan man få in mycket mera information. Ett venusdygn är 243 jorddygn. Vi kan ta reda på dygnsrytmen, hur temperatur och gasblandningar varierar etc. Det man vet idag, vet man tack vare fjärranalys med radar. Det går inte ens att fotografera planetytan från rymden för atmosfären är för tät.
– Vad finns det för chans att KTHs kretsar ska få flyga till Venus?
– ESA (Europeiska rymdflygstyrelsen) har inte en miljard Euro att lägga ut i brådrasket. Stora rymdprojekt är en affär på tio år och man måste ha sin teknik färdig och utprovad i början av den tioårsperioden om man ska få vara med.
– Vad finns det för chans att SiC-kretsar kommer att flyga i rymden över huvud taget?
MIST provbyggs, Bild: KTH Rymdcentrum
– Det som ligger närmast är KTHs satellit MIST (Miniature Satellite) som vi hoppas kunna skjuta upp år 2020. I denna kommer det att följa med ett experiment med en kiselkarbidtransistor som vi gjort i Myfab-labbet. Experimentet går ut på att se om transistorn klarar miljön. Vi kommer att göra mätningar under de olika omloppsbanorna. Ibland är den i solen, ibland i skuggan.
Men för att gå vidare med stråltåliga kretsar: Om vi kan visa att vi har god stråltålighet kanske vi kan få vara med på någon annan rymdfärd ut i högre omloppsbanor, ut till Internationella Rymdstationen eller liknande.
– Tillämpningar på Jorden? Gasturbiner är inte lika sexigt som satelliter, men man kan spara mycket pengar på att detektera vibrationer innan det blir katastrof?
– Man blir inte rik på rymdteknik, men de jordiska tillämpningarna kan vara nog så intressanta. Det är dessutom där vi kan se miljövinster.
Förslag på landare
Projektgruppen har inte alls funderat på hur en venuslandare skulle kunna byggas. Det låg utanför åtagandet. Därför kunde undertecknad inte hålla sig från att fundera på en konstruktion.
Notera alltså att denna konstruktion inte har något alls med KTHs projekt att göra, men den passar bra i sammanhanget. En skålformad landarmodul behövs, med den tunga RTG-modulen i mitten för balans under nedfärden. Landaren bör vara gjord som en skål i titan som tål väldigt höga temperaturer utan att mjukna, och botten bör kläs med en värmesköld som dessutom är lite porös och fungerar som stötdämpare. Kretskortet med elektroniken torde monteras i ett hus av titan, som till höger i bild och ett roterbart torn ska stå ovanpå, på vilket man monterar en spegel som leder ned ljus till kamerakretsen.
Elektroniken bör monteras på något sätt som tål skarpa temperaturväxlingar och kraftig acceleration och gärna med hela systemet på ett och samma kretskort. Man kan tänka sig ett ”kretskort” i form av en ”kakelplatta” i keramen aluminiumnitrid, som har samma temperaturutvidgning som kiselkarbid. AlN är dessutom väldigt starkt. Alltihop blir som en sten, som inte går att slå sönder i första taget.
Projektgruppen
Vilka var det som bogserade det hela i hamn?
Här ser du några av personerna i WoV-projektet, från vänster:
William Yi, doktorand, kretskonstruktion
Shuoben Hou, doktorand, bildsensor
Professor Christer Fuglesang, chef för KTH Rymdcentrum med partikelfysik som specialitet
Professor Carl-Mikael Zetterling, avdelningschef vid Institutionen för elektronik
Professor Mikael Östling, prorektor vid Institutionen för elektronik
Gunnar Malm, universitetslektor vid Institutionen för elektronik
Resultatet visar bara en gång till att Sverige är en spjutspetsnation inom halvledarforskningen. Det verkar inte finnas något som kan stoppa en KTH-doktorand som verkligen vill!
Kommande forskningsområden
Det är kanske bara att inse att venusprojektets elektronik inte kommer att flyga till Venus i brådrasket. ESA låter beklagligtvis meddela att en sådan rymdfärd är att betrakta som ett ”större projekt” som alltså betingar ett pris på en miljard Euro eller däromkring. Sådant snyter man inte ur näsan hur lätt som helst.
Istället går KTH vidare med andra SiC-projekt, nämligen att bygga elektronik som tål höga strålnivåer. Höga strålnivåer stöter man på vid snart sagt varenda rymdfärd och sensorer och elektronik som kan fungera i strålnivåer där en människa skulle dö på en minut, är viktiga.
Prof Zetterling:
– Istället för att göra flera tåliga kretsar för Venus har vi nu fått finansiering från Svenska Rymdstyrelsen för att kunna ha sönder dem. Vi ska utsätta dem för de strålnivåer som förväntas i rymden. Det är anledningen till att vi fortsättas att tillverka SiC-kretsar, nu i samarbete med University of Arkansas.
Den stora strålaren är naturligtvis Solen som ständigt sprutar ut laddade partiklar i stora moln, elektroner eller protoner, alltså solvinden. Vid en massutkastning kan energier på 10^22 joule frigöras. Träffas en rymdfarkost av bara en liten tafs av ett sådant partikelmoln kan det resultera i felfunktion eller intern kortslutning. Partiklarna kör rakt igenom halvledarna och grillar allt i sin väg.
Rymdsonder måste alltså härdas mot solvind och kosmisk strålning. Ett exempel är sonden JUICE som ska ta sig till jupitermånen Europa för att se om det finns liv i de oceaner man tänker sig ska finnas under månens istäcke. Problemet är bara att Jupiters fantastiskt kraftiga magnetfält suger åt sig en väldig mängd laddade partiklar från solvinden, som orsakar så mycket strålning att vanlig elektronik i kisel skulle duka under för störnivåerna. SiC klarar sig mycket bättre.
WoV-sponsorer i sammanställning
Vetenskapsrådet (VR), Stiftelsen för Strategisk Forskning (SSF), Energimyndigheten, STandUP for Energy, Vinnova och Knut och Alice Wallenbergs stiftelse (KAW).
Läs mer
Working on Venus-webben: https://www.kth.se/blogs/wov/
Alla detaljer om fyrabitarsprocessorn: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-251766
Myfab: https://www.teknikaliteter.se/2019/08/12/svensk-halvledarforskning-i-varldstoppen/
KAW-filmen: https://www.youtube.com/watch?v=Ku2HhoyYyQ8&t=5s
Om kiselkarbid: https://techworld.idg.se/2.2524/1.563041/kretsar-som-tal-500-grader
Studentsatelliten MIST: https://www.kth.se/sci/centra/rymdcenter/studentsatellit/studentsatelliten-mist-1.481707
Spaceship on a Chip:
Läs om den ryska Venera 14 och mängden instrument ombord: https://en.wikipedia.org/wiki/Venera_14
Publikationer
Listan på de publikationer och doktorsavhandlingar som blev resultatet av projektet är otroligt lång. Alldeles för lång för att kunna tas med här. Men kontakta någon av professorerna Zetterling eller Östling på Institutionen för Elektronik på KTH så kan du få den.
Några av dem presenteras här: https://www.kth.se/blogs/wov/
KTH Space Center: https://www.kth.se/en/sci/centra/rymdcenter
