Robuste Elektronik für das Weltall

Die im Weltall allgegenwärtige kosmische Strahlung ist nicht nur für lebende Organismen schädlich, sondern führt auch in Elektronik zu Defekten. Während auf der Erde das Erdmagnetfeld diese Strahlung fast komplett abschirmt, benötigt die Raumfahrt, etwa für Missionen zum Mars oder fernen Asteroiden, widerstandsfähigere Bordelektronik. Dafür untersuchten Wissenschaftler nun neuartige Computerchips, die nicht nur auf dem Halbleiter Silizium basieren, sondern Nanoröhrchen aus Kohlenstoff als elektronische Bauteile integrieren. Wie die Forscher in der Fachzeitschrift „ACS Nano“ berichten, arbeiten diese Chips nicht nur energiesparend, sondern sind auch widerstandsfähiger gegen kosmische Strahlung.

Für die Entwicklung stabiler Weltraumelektronik stellten Max Shulaker vom Massachusetts Institute of Technology und seine Kollegen verschiedene Prototypen von Speicherchips her. In diesen Chips übernehmen winzige, nur einen Nanometer durchmessende Nanoröhrchen aus Kohlenstoff die Aufgabe, die sonst Transistoren aus dem Halbleitermaterial Silizium zukommt: Diese Bauteile schalten elektrische Ströme ein oder aus und ermöglichen es so, verschiedene Rechenoperationen auszuführen. Da Elektronen in den Kohlenstoffnanoröhrchen sehr beweglich sind, benötigten diese Chips außerdem deutlich weniger Energie als konventionelle Chips auf Siliziumbasis. An die extrem hohe Leistungsfähigkeit der weit entwickelten Siliziumchips reichen sie allerdings noch nicht heran.

Da sich die neuartigen Chips wegen ihrer hohen Energieeffizienz für Missionen im All empfehlen, untersuchten die Forscher auch, wie widerstandsfähig die Chips gegenüber kosmischer Strahlung sind. Diese Strahlung besteht aus Teilchen aus dem Weltall mit extrem hohen Energien. Sie ist in der Lage, Atome zu ionisieren, also Elektronen herauszulösen – weshalb sie auch als ionisierende Strahlung bezeichnet wird. Um die Widerstandsfähigkeit der entwickelten Elektronik gegen solche Strahlung zu testen, setzte das Forscherteam Prototypen der Chips einer Gammastrahlungsquelle aus dem Isotop Kobalt-60 aus, die Strahlung aus hochenergetischen Teilchen aussendet. Auf die Chips traf die Strahlung mit bis zu zehn Megarad auf. Zum Vergleich: Die Jupitersonde Juno war an der Oberfläche während ihrer Mission von zwölf Monaten einer Gesamtdosis von elf Megarad ausgesetzt.

Bei dieser Dosis weisen andere, für den Einsatz im All optimierte, Siliziumchips bereits zahlreiche Fehlfunktionen auf und wären ungeschützt für einen längeren Weltraumaufenthalt kaum geeignet. Die Chips mit Nanoröhrchen dagegen hielten – ausgestattet mit umgebenden dünnen Schichten aus Hafniumoxid, Titan und Platin – dieser Strahlung stand. Bisherige Siliziumchips sind hingegen nur bis zu einer Strahlung von etwa zwei Megarad stabil. Zum Schutz der neuartigen Chips trägt auch bei, dass sie bereits eine geringere Angriffsfläche aufweisen, denn die elektronischen Bauelemente lassen sich wesentlich kompakter unterbringen. Somit trifft weniger Strahlung auf die einzelnen Chipelemente und der Chip erweist sich als widerstandsfähiger gegenüber ionisierender Strahlung.

Diese Studie belegt, dass neuartige Chips, die auf Nanoröhrchen als Transistoren basieren, energieeffizient und resistent gegen kosmische Strahlung sind. Eine Serienfertigung solcher Chips gibt es zwar bislang nicht – dass sie gerade für kommende Weltraummissionen zum Einsatz kommen, ist jedoch durchaus realistisch.