Европа - это не просто один из многочисленных спутников Юпитера, но и одно из самых перспективных мест в Солнечной системе для поиска внеземной жизни. Под 10-километровым слоем льда находится океан жидкой воды, в котором она и может существовать. Но с температурой поверхности минус 180 градусов Цельсия и экстремальным уровнем радиации это одно из самых негостеприимных мест в Солнечной системе.

Как утверждают в Технологическом институте Джорджии, исследование Европы может стать возможным в ближайшие годы благодаря новым применениям технологии кремниево-германиевых транзисторов, которую они разработали.

Профессор Джон Д. Кресслер из Школы электротехники и вычислительной техники (ECE) и его студенты уже несколько десятилетий работают с биполярными транзисторами с гетеропереходом кремний-германий (SiGe HBTs) и обнаружили, что они имеют уникальные преимущества в экстремальных условиях, таких как Европа.

"Благодаря способу изготовления, эти устройства фактически выживают в экстремальных условиях без каких-либо изменений в самой технологии", - сказал Кресслер, который является исследователем проекта. "Вы можете создать его для того, что вы хотите делать на Земле, а затем использовать его в космосе".

Исследователи находятся на первом году трехлетнего гранта в рамках программы НАСА "Концепции технологии обнаружения жизни в океанических мирах" (COLDTech) на разработку электронной инфраструктуры для будущих полетов к поверхности Европы. НАСА планирует запустить в 2024 году орбитальный космический аппарат Europa Clipper, который составит карту океанов Европы, а затем отправить посадочный аппарат Europa Lander, чтобы пробурить лед и исследовать ее подповерхностный океан. Но все начинается с электроники, которая должна быть способной функционировать в экстремальных условиях Европы.

Кресслер и его студенты вместе с исследователями из Лаборатории реактивного движения (JPL) НАСА и Университета Теннесси (UT) продемонстрировали возможности SiGe HBT для этой негостеприимной среды в работе, представленной в июле на конференции IEEE Nuclear and Space Radiation Effects Conference.

Как и Земля, Юпитер также имеет жидкое металлическое ядро, которое генерирует магнитное поле, создающее радиационные пояса высокоэнергетических протонов и электронов от набегающего солнечного ветра. К сожалению, как спутник Юпитера, Европа находится как раз в этих радиационных поясах. Следовательно, любая технология, разработанная для поверхности Европы, должна быть способна выдержать не только низкие температуры, но и самую сильную радиацию, встречающуюся в Солнечной системе.

К счастью, SiGe HBT идеально подходят для этой неблагоприятной среды. В SiGe HBT внутри обычного биполярного транзистора вводят наноразмерный сплав Si-Ge для нано-конструирования его свойств, что позволяет получить гораздо более быстрый транзистор, сохраняя экономичность и низкую стоимость традиционных кремниевых транзисторов. SiGe HBT обладают уникальной способностью сохранять производительность при экстремальном радиационном облучении, а их свойства естественным образом улучшаются при более низких температурах. Такое уникальное сочетание делает их идеальными кандидатами для исследования Европы.

"Это не просто фундаментальная наука и доказательство того, что SiGe работает", - сказал Кресслер. "Это фактически разработка электроники для НАСА, которая будет использоваться на Европе. Мы знаем, что SiGe может выдерживать высокие уровни радиации. И мы знаем, что он остается работоспособным при низких температурах. Но мы не знали, может ли он делать то и другое одновременно, что необходимо для миссий на поверхности Европы".

Чтобы ответить на этот вопрос, исследователи GT использовали Dynamitron JPL - установку, которая стреляет электронами с высоким потоком при очень низких температурах, чтобы испытать SiGe в условиях, характерных для Европы. Они подвергли SiGe HBTs воздействию одного миллиона вольт-электронов с дозой излучения в пять миллионов рад (200-400 рад смертельны для человека), при температурах 300, 200 и 115 Кельвинов (-160 градусов Цельсия).

"Что еще никогда не делалось, так это использование электроники, как это было в этом эксперименте", - сказал Кресслер. "Итак, мы работали буквально в течение первого года, чтобы получить результаты, приведенные в этой статье, которые, по сути, являются окончательным доказательством того, что то, что мы утверждали, на самом деле правда - SiGe действительно выживает в условиях поверхности Европы".

В течение следующих двух лет исследователи GT и UT разработают реальные схемы из SiGe, которые можно будет использовать на Европе, например, радиоприемники и микроконтроллеры. Но еще важнее то, что эти устройства можно будет использовать практически в любой космической среде, в частности на Луне и Марсе.

"Если Европа является худшей средой в Солнечной системе, и вы можете создать эти устройства для работы на Европе, тогда они будут работать везде", - сказал Кресслер. "Это исследование объединяет прошлые работы, которые мы проводили в моей команде здесь, в Технологическом институте Джорджии, в течение длительного времени, и показывает действительно интересные и новые применения этих технологий. Мы гордимся тем, что используем наши исследования для создания новых инновационных основ и, таким образом, для создания новых приложений".