Forschung für strahlungsfeste Elektronik
Redaktion
/ Pressemitteilung der Fraunhofer-Gesellschaft astronews.com
13. August 2009
Die kosmische Strahlung im All stellt die Entwickler von mikroelektronischen
Bauteilen vor eine schwierige Aufgabe: Die Partikelstrahlung kann die
empfindlichen Komponenten nämlich beschädigen oder ganz zerstören und so die
gesamte Mission gefährden. Der Einfluss der Strahlung auf die elektronischen
Schaltungen soll daher nun genauer untersucht werden.
Voller empfindlicher Elektronik: die Internationale Raumstation ISS im Juli 2009.
Foto: NASA |
Satelliten und Raumfahrzeuge haben komplexe mikroelektronische Bauteile an
Bord, deren Ausfall katastrophale Folgen hat. Die kosmische Strahlung im Weltall
kann die empfindliche Elektronik beschädigen. In einem gemeinsamen
Forschungsprojekt vom Fraunhofer- Institut für Naturwissenschaftlich-Technische
Trendanalysen INT in Euskirchen, der europäischen Weltraumagentur ESA und dem
GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt untersuchen die
Wissenschaftler den Einfluss der Strahlung auf die Elektronik.
Am Teilchenbeschleuniger des GSI bestrahlen die Forscher daher
mikroelektronische Bauelemente unter Leitung der INT-Wissenschaftler mit
relativistischen Ionen. Die GSI-Beschleunigeranlage ist die einzige in Europa,
an der sich Ionenstrahlung so herstellen lässt, wie sie als kosmische Strahlung
im Weltall auftritt. Ziel des Forschungsprojekts ist es, die Eignung
verschiedener Mikrochips für den Einsatz im Weltraum zu testen. Darüber hinaus
sollen Grundlagen erforscht werden, um in Zukunft strahlungsfeste, leichtere und
kompaktere Elektronik zu entwickeln, um Platz und Gewicht zu sparen. So kann in
der Raumfahrttechnik in Zukunft auf die bisher nötigen Abschirmungen und auch
auf Ersatzelektronik, die für manche Bauteile mitgeführt wird, verzichtet
werden.
"Wir wollen erstmals systematisch untersuchen, wie die Energie der
Ionenstrahlen die Mikroelektronik beeinflusst. Die GSI-Beschleunigeranlage
bietet dazu optimale Voraussetzungen. Hier können wir hochenergetische Ionen,
von den leichtesten bis zu den schwersten Elementen, erzeugen. Damit decken wir
das gesamte Spektrum an Ionenstrahlung ab, wie es im Universum permanent
auftritt", sagt Stefan Metzger, Projektleiter am Fraunhofer-Institut.
Die Mitarbeiter des INT sind Experten auf dem Gebiet der Strahlenschäden in
Elektronik. Neben der fachlichen Expertise unterstützt das INT das Projekt mit
einer speziellen Mess-Infrastruktur, mit der sich solche Fehler in
elektronischen Bauteilen feststellen lassen. In einem ersten Experiment haben
Wissenschaftler einen von der ESA bereit gestellten Mikrochip mit Gold-Ionen
bestrahlt. Die Analyse bestätigte die Vermutung, dass die Störanfälligkeit des
Chips stark von der Energie der Ionen abhängt. Für eine genaue Untersuchung sind
in den nächsten Jahren weitere systematische Bestrahlungen verschiedener
Bauteile unter dem Einfluss unterschiedlicher Ionen und Energien vorgesehen.
"Ionenstrahlen sind Hauptbestandteil der kosmischen Strahlung und haben die
größte Wirkung auf die Mikroelektronik. Eine genaue Kenntnis dieses Einflusses
ist die Voraussetzung, um in Zukunft gezielt Elektronik für Raumfahrt optimieren
zu können", sagt Marco Durante, Leiter der Abteilung Biophysik am GSI. Bereits
ein einzelnes Ion kann in mikroelektronischen Bauteilen Schäden verursachen.
Durch die hohe elektrische Ladung und die Energie des Ions können in den
Halbleitermaterialen des Mikrochips freie Ladungsträger erzeugt werden, die zu
kleinen elektrischen Stromflüssen führen und so Funktionsfehler oder einen
Ausfall des Chips verursachen können.
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