Die Wetter auf der Venus ist wie etwas aus DantesHölle.Die durchschnittliche Oberflächentemperatur – 737 K (462 °C; 864 °F) – ist heiß genug, um Blei zu schmelzen, und der Atmosphärendruck ist 92 Mal höher als der der Erde auf Meereshöhe (9,2 MPa). Aus diesem Grund haben es nur sehr wenige Roboter-Missionen jemals bis zum Oberfläche der Venus , und solche, die nicht lange gehalten haben – von etwa 20 Minuten bis etwas mehr als zwei Stunden.
Aus diesem Grund versucht die NASA mit Blick auf zukünftige Missionen, Robotermissionen und Komponenten zu entwickeln, die für längere Zeit in der Venusatmosphäre überleben können. Dazu gehören die Elektronik der nächsten Generation Das haben Forscher des NASA Glenn Research Center (GRC) kürzlich enthüllt. Diese Elektronik würde es einem Lander ermöglichen, die Venusoberfläche wochen-, monate- oder sogar jahrelang zu erkunden.
In der Vergangenheit wurden von den Sowjets und der NASA entwickelte Lander zur Erforschung der Venus – als Teil der Jakobsmuschel und Seemann Programme bzw. – setzten auf Standardelektronik, die auf Silizium-Halbleitern basierte. Diese sind einfach nicht in der Lage, unter den Temperatur- und Druckbedingungen, die auf der Oberfläche der Venus herrschen, zu arbeiten, und erforderten daher, dass sie über Schutzgehäuse und Kühlsysteme verfügen.
Natürlich war es nur eine Frage der Zeit, bis diese Schutzmaßnahmen versagten und die Sonden aufhörten zu senden. Der Rekord wurde von den Sowjets mit ihrem Venera 13 Sonde, die zwischen ihrem Abstieg und ihrer Landung 127 Minuten lang sendete. Mit Blick auf die Zukunft wollen die NASA und andere Weltraumbehörden Sonden entwickeln, die so viele Informationen wie möglich über die Atmosphäre, Oberfläche und geologische Geschichte der Venus sammeln können, bevor sie ablaufen.
Zu diesem Zweck hat ein Team des GRC der NASA an der Entwicklung einer Elektronik gearbeitet, die auf Siliziumkarbid (SiC)-Halbleitern basiert und bei oder über der Venustemperatur betrieben werden kann. Vor kurzem führte das Team eine Demonstration mit den weltweit ersten mäßig komplexen Mikroschaltungen auf SiC-Basis durch, die aus Dutzenden oder mehr Transistoren in Form von digitalen Logikkernschaltungen und analogen Operationsverstärkern bestanden.
Diese Schaltkreise, die in den elektronischen Systemen einer zukünftigen Mission zum Einsatz kommen würden, konnten bis zu 4000 Stunden bei Temperaturen von 500 °C (932 °F) betrieben werden – und demonstrierten damit effektiv, dass sie unter venusähnlichen Bedingungen längere Zeit überleben können Perioden. Diese Tests fanden im Glenn Extreme Environments Rig (GEER), das die Oberflächenbedingungen der Venus simulierte, einschließlich der extremen Temperatur und des hohen Drucks.
Bereits im April 2016 testete das GRC-Team einen SiC-12-Transistor-Ringoszillator mit dem GEER über einen Zeitraum von 521 Stunden (21,7 Tage). Während des Tests setzten sie die Kreisläufe Temperaturen von bis zu 460 °C (860 °F), atmosphärischen Drücken von 9,3 MPa und überkritischen Mengen an CO² (und anderen Spurengasen) aus. Während des gesamten Prozesses zeigte der SiC-Oszillator eine gute Stabilität und blieb funktionsfähig.
SiC-Hochtemperaturelektronik vor und nach dem Testen unter Venus-Oberflächenbedingungen (robuster Betrieb über längere Zeiträume). Credits: Marvin Smith/David Spry/NASA GRC
Dieser Test wurde aus terminlichen Gründen nach 21 Tagen beendet und hätte noch viel länger dauern können. Dennoch stellte die Dauer einen bedeutenden Weltrekord dar, da sie um Größenordnungen länger war als jede andere durchgeführte Demonstration oder Mission. Ähnliche Tests haben gezeigt, dass Ringoszillatorschaltungen Tausende von Stunden bei Temperaturen von 500 °C (932 °F) unter Erde-Luft-Umgebungsbedingungen überleben können.
Diese Elektronik stellt einen großen Wandel für die NASA und die Weltraumforschung dar und würde Missionen ermöglichen, die zuvor unmöglich waren. NASAs Leitung der Wissenschaftsmission (SMD) plant, SiC-Elektronik in ihre Langlebiger In-situ-Sonnensystem-Explorer (LLISSE). Für dieses kostengünstige Konzept wird derzeit ein Prototyp entwickelt, der über Monate oder länger grundlegende, aber sehr wertvolle wissenschaftliche Messungen von der Oberfläche der Venus liefern soll.
Andere Pläne zum Bau eines überlebensfähigen Venusforschers umfassen die Automaten Rover für extreme Umgebungen (BEREICHE), zu ' Steampunk-Rover ”-Konzept, das auf analogen Komponenten und nicht auf komplexen elektronischen Systemen beruht. Während dieses Konzept darauf abzielt, vollständig auf Elektronik zu verzichten, um sicherzustellen, dass eine Venus-Mission unbegrenzt betrieben werden kann, würde die neue SiC-Elektronik es komplexeren Rovern ermöglichen, unter extremen Bedingungen weiterzuarbeiten.
Über die Venus hinaus könnte diese neue Technologie auch zu neuen Klassen von Sonden führen, die in der Lage sind, innerhalb von Gasriesen zu erforschen – d. h. Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun – wo Temperatur- und Druckbedingungen in der Vergangenheit unerschwinglich waren. Aber eine Sonde, die auf einer gehärteten Hülle und elektronischen SiC-Schaltungen basiert, könnte sehr gut tief in das Innere dieser Planeten eindringen und verblüffende neue Dinge über ihre Atmosphären und Magnetfelder enthüllen.
AREE ist ein von mechanischen Computern inspirierter Uhrwerk-Rover. Ein JPL-Team untersucht, wie diese Art von Rover extreme Umgebungen wie die Oberfläche der Venus erkunden könnte. Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech
Die Merkuroberfläche könnte mit dieser neuen Technologie auch für Rover und Lander zugänglich sein – sogar auf der Tagseite, wo die Temperaturen bis zu 700 K (427 °C; 800 °F) erreichen. Hier auf der Erde gibt es viele extreme Umgebungen, die jetzt mit Hilfe von SiC-Schaltungen erforscht werden könnten. Mit SiC-Elektronik ausgestattete Drohnen könnten beispielsweise Tiefsee-Ölbohrungen überwachen oder tief ins Erdinnere vordringen.
Es gibt auch kommerzielle Anwendungen mit Flugzeugtriebwerken und industriellen Prozessoren, bei denen extreme Hitze oder Druck traditionell eine elektronische Überwachung unmöglich machten. Jetzt könnten solche Systeme „smart“ gemacht werden, indem sie sich selbst überwachen können, anstatt sich auf Bediener oder menschliche Aufsicht zu verlassen.
Mit extremen Schaltungen und (eines Tages) extremen Materialien könnte fast jede Umgebung erkundet werden. Vielleicht sogar das Innere eines Stars!
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