Dlaczego kosmiczna elektronika jest tak droga?

To, co odróżnia specyfikę urządzeń przeznaczonych do misji kosmicznych od elektroniki komercyjnej to przede wszystkim inne, ekstremalnie nieprzyjazne środowisko.

Każdy start nowej misji kosmicznej wywołuje na świecie wiele emocji. Często w tym kontekście mówi się o kosztach, które najczęściej są wielokrotnie wyższe, niż podobne rozwiązania dedykowane do użytku na Ziemi. Przeciętni odbiorcy nie wiedzą zazwyczaj o trudnościach związanych z projektowaniem nawet najprostszej misji kosmicznej.

Przestrzeń kosmiczna ma ogromny wpływ na pracujące w nim urządzenia. Powoduje wiele problemów, których nie spotyka się w urządzeniach komercyjnych czy przemysłowych. Na szczęście niektóre z tych czynników, bądź ich brak, można próbować odtworzyć w laboratorium.

Duże trudności sprawia próżnia, „wysysająca” mikropęcherzyki powietrza, co może prowadzić do pękania elementów. Innym problemem jest brak możliwości chłodzenia elementów poprzez konwekcję. Ciepło można tylko wypromieniować w kosmos.

Kolejnym problemem są zmieniające się temperatury. Dla obiektów na niskiej orbicie okołoziemskiej wahają się one pomiędzy +150°C, a -100°C. W ciągu doby ma miejsce nawet kilkanaście cykli nagrzewania i chłodzenia. W przypadku misji bliżej Słońca temperatury będą jeszcze bardziej ekstremalne np. dla Misji BepiColmbo, temperatury mogą sięgnąć 400°C, a misji Parker Solar Probe aż 1500°C.

Należy pamiętać też, że w zdecydowanej większości przypadków poza Ziemią nie ma opcji serwisowania. W przypadku sondy komicznej udającej się do innego celu w Układzie Słonecznym nie ma żadnej możliwości interwencji w wypadku uszkodzenia choćby jednego z kilkunastu tysięcy elementów. Przez kilka-kilkanaście lat sprzęt ma po prostu działać.

Do tego dochodzi jeszcze starzenie się elementów wskutek radiacji czy promieniowania np. ultrafioletowego czy podczerwonego. Można to sobie łatwo wyobrazić: komputer pokładowy wysyła informacje do silnika hamującego lądownik (np. na Księżycu) na podstawie informacji zawartych w pamięci danych. Decyzja o uruchomieniu silnika jest podejmowana na podstawie tego czy zmienna ma przykładowo wartość 0101010101010101 lub 1101010101010101. Wystarczy jeden przelatujący ciężki jon lub neutrino -przenikające przez wszystko na swojej drodze – aby wybić bądź przesunąć elektron w strukturze tranzystora, powodując jego aktywację, lub zmianę zawartości pamięci. Takie zjawiska się zdarzają w kosmosie i trzeba im umiejętnie zaradzić projektując urządzenie. Stosuje się do tego zaawansowane metody sprzętowe jak i programowe metody detekcji.

Kolejna kwestią jest zużycie sprzętu. Przez starzenie się materiałów panele słoneczne pod koniec misji potrafią obniżyć swoją wydajność nawet o 60% (zależnie od technologii wykonania i orbity po jakiej porusza się satelita). Te wszystkie czynniki należy brać pod uwagę już na samym początku projektowania urządzenia, aby pod koniec misji po prostu nie „zabrakło prądu”.

W celu maksymalnego zabezpieczenia misji kosmicznej, w projektowaniu stosowane jest podejście typu Single Point Failure Free. Oznacza to, że układ musi być tak zaprojektowany, aby wskutek awarii jednego z elementów działanie całego układu nie zostało zakłócone, a błąd nie rozpropagował się na pozostałe elementy systemu. Gdy zaś chodzi o życie ludzkie, w przypadku misji załogowych obowiązuje podejście Double Point Failure Free. Wówczas nawet uszkodzenie dwóch podzespołów w urządzeniu nie może stanowić zagrożenia dla życia załogi i przebiegu misji.

Z tego powodu podzespoły przeznaczone do użytku w przestrzeni kosmicznej są wykonywane w innym procesie technologicznym, nierzadko z wykorzystaniem specjalnych materiałów. Są to elementy, które kosztują wielokrotnie więcej od komercyjnych odpowiedników. Przykładowo jeden tranzystor MOSFET średniej mocy, który znajdziemy w zasilaczu telewizora LCD kosztuje ok 1 euro. Jego kosmiczny odpowiednik w wersji RadHard, gwarantujący pracę przez 10 lat na orbicie, kosztuje zaś 1000 euro za sztukę. Specjalnie do zastosowań kosmicznych powstały też elementy samoregenerujące się. Takie elementy projektuje się w ten sposób, aby zjawisko występujące podczas procesu destrukcji jednocześnie aktywowało dodatkowy mechanizm hamujący proces uszkadzania. Prostym przykładem takiego rozwiązania jest autonomiczne wypełnianie kół rowerowych czynnikiem, który w kontakcie z powietrzem pęcznieje. Rowerzyści i kolarze doceniają, kiedy pomimo widocznych gwoździ czy kolców w oponie, nadal mogą kontynuować jazdę.

W misjach mniej profesjonalnych lub o krótszym zakładanym czasie życia satelity, jak np. w studenckich CubeSatach, stosuje się elementy komercyjne najwyższej klasy, które są jednak dużo tańsze od RadHardowych. Dzięki temu prawie każda uczelnia czy ośrodek badawczy może pokusić się o wystrzelenie swojego nanosatelity i przeprowadzenie eksperymentów lub pomiarów na orbicie.

Dziękujemy panu Krzysztofowi Krawczykowi za przesłanie tekstu.
Krzysztof Krawczyk – założyciel firmy ASED Advanced Space Electronic Devices. Swoja przygodę z kosmosem zaczął jako stażysta ESA w programie YGT w dziale Power and Energy Conversion, gdzie pracował m.in. przy analizie wpływu efektu Beam-out na system zasilania Misji BepiColombo.