Um material exótico prestes a se tornar o semicondutor preferido para a eletrônica de potência - porque é muito mais eficiente do que o silício - está agora sendo visto para possíveis aplicações no espaço.

Duas equipes da NASA estão examinando o uso de nitreto de gálio, um composto semicondutor do tipo cristal descoberto pela primeira vez na década de 1980, e atualmente usado em produtos eletrônicos de consumo, como diodos de laser em leitores de DVD. Entre seus muitos atributos, nitreto de gálio - GaN, para resumir - demonstra menos resistência elétrica e, portanto, perde apenas uma pequena proporção de energia como calor. O material pode lidar com 10 vezes a corrente elétrica do silício, permitindo menor, mais rápido, e dispositivos mais eficientes. Além disso, é tolerante a uma ampla gama de temperaturas, resistente à radiação, e ao que parece, hábil na detecção de partículas energéticas.

Não é de admirar que os cientistas e engenheiros do Goddard Space Flight Center da NASA em Greenbelt, Maryland, estão interessados ​​em ver como eles poderiam aproveitar esse material versátil para aprimorar a exploração espacial.

Com seu financiamento, o engenheiro Jean-Marie Lauenstein e a cientista Elizabeth MacDonald estão investigando os transistores de alta mobilidade de elétrons de nitreto de gálio, ou GaN HEMTs, para uso no estudo de como a magnetosfera da Terra se acopla à sua ionosfera - uma questão-chave no campo da heliofísica, que, entre outras coisas, estuda as forças que impulsionam a mudança em nosso ambiente espacial. Stanley Hunter e Georgia de Nolfo, Enquanto isso, estão investigando o uso do material em um detector de nêutrons de estado sólido que é relevante tanto para a ciência quanto para a segurança interna.

Transistores de nitreto de gálio

Transistores ou semicondutores de nitreto de gálio tornaram-se disponíveis comercialmente em 2010, mas eles ainda não encontraram seu caminho para os instrumentos dos cientistas espaciais, apesar de seu potencial para reduzir o tamanho de um instrumento, peso, e consumo de energia. Há uma razão para isso, disse Lauenstein. Embora seja previsto que o nitreto de gálio seja resistente a muitos tipos de danos por radiação encontrados no espaço, nem a NASA nem as forças armadas dos EUA estabeleceram padrões que caracterizam o desempenho desses dispositivos ativados por transistor quando expostos à radiação extrema no espaço.

Quando atingido por raios cósmicos galácticos ou outras partículas energéticas, equipamentos eletrônicos podem sofrer transtornos de evento único catastróficos ou transitórios. “Temos padrões para o silício, "Lauenstein disse." Não sabemos se os métodos para transistores de silício se aplicariam aos transistores de nitreto de gálio. Com silício, podemos avaliar o limite para o fracasso. "

Com o financiamento, Lauenstein e MacDonald estão se unindo ao Laboratório Nacional de Los Alamos no Novo México, um fabricante de peças, e as peças eletrônicas e embalagens da NASA para estabelecer critérios que garantam que um dispositivo do tipo GaNs possa resistir aos efeitos de partículas potencialmente prejudiciais produzidas por raios cósmicos galácticos e outras fontes.

O material pode ser útil em aceleradores de feixe de elétrons - compostos de transistores de nitreto de gálio - construídos para mapear linhas magnéticas específicas na magnetosfera protetora da Terra para suas pegadas na ionosfera da Terra onde ocorre a aurora - ajudando a mostrar como as duas regiões do espaço próximo à Terra conectar.

"A pesquisa da equipe sobre tolerância à radiação nos ajuda a entender como voar esses aceleradores no ambiente espacial hostil ao longo da vida da missão, "Disse MacDonald.

De acordo com Lauenstein, esses padrões também beneficiarão outras disciplinas científicas. "Precisamos de um caminho a seguir para esta tecnologia, "ela disse" Isso abre a porta para que outros incorporem essa tecnologia em suas próprias missões. "

Potencialmente "Mudando o Jogo"

Para de Nolfo e Hunter, nitreto de gálio oferece uma solução potencial para a construção de um detector e geração de imagens de nêutrons, que têm vida curta e normalmente expiram após cerca de 15 minutos. Os nêutrons podem ser gerados por eventos energéticos no Sol, bem como por interações de raios cósmicos com a atmosfera superior da Terra. Os nêutrons gerados por raios cósmicos na atmosfera podem adicionar ao cinturão de radiação da Terra - uma amostra de radiação ao redor da Terra que, entre outras coisas, pode interferir na eletrônica do satélite a bordo - quando eles decaem. Os pesquisadores descobriram que o GaN pode formar a base de um detector de nêutrons altamente sensível.

"O cristal de nitreto de gálio pode mudar o jogo para nós, "disse de Nolfo.

Sob seu conceito, Hunter e de Nolfo posicionariam um cristal de nitreto de gálio dentro de um instrumento. Conforme os nêutrons entraram no cristal, eles espalham átomos de gálio e nitrogênio e, no processo, excitar outros átomos, que então produzem um flash de luz revelando a posição do nêutron que iniciou a reação. Fotomultiplicadores de silício presos ao cristal convertem o flash de luz em um pulso elétrico a ser analisado pela eletrônica do sensor.

"O nitreto de gálio é razoavelmente bem conhecido na indústria fotoeletrônica, mas acho que estamos forçando um pouco os limites neste aplicativo, "Hunter disse, acrescentando que a beleza do conceito é que não conteria partes móveis, use pouca energia, e operar no vácuo. Se isso funcionar, o instrumento beneficiaria diferentes disciplinas da ciência espacial e os militares na detecção de material nuclear, ele adicionou.