Dlaczego kosmiczna elektronika jest tak droga?

4

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.

Share.

4 komentarze

  1. Ten tekst powinien być przypięty na forum , aby można było do niego kierować wszystkich gimbów którzy pytają czemu nie ma filmów 4K z Plutona i dlaczego nie wkładają do sond Pentium 7i z GeForce.

  2. Ciekawe czy dało by się tak zaprojektować silnik Stirlinga żeby działał jako źródło energii satelity.

    +150 i -100 stopni 250 stopni różnicy temperatur, dwa pojemniki na przemian schładzane i ogrzewane wraz z obrotem satelity wokół własnej osi, oraz “jakiś” mechanizm napędowy wykorzystujący różnice ciśnień .

    • Nie wyobrażam sobie tego. Na każdy okres orbitalny połowę czasu silnik spędzałby w cieniu Ziemi. No i do czego chcesz wykorzystać taki silnik? Przecież tam nawet nie ma ośrodka w którym praca silnika mogłaby zostać wykorzystana do napędu.