Wäre es möglich, eine Sonde zu bauen, die ohne Isolierung bei etwa 480 °C (900 °F) betrieben werden könnte?

Ich las eine Frage zum Kühlen eines Venus-Landers und kam zu dem Schluss, dass das Problem darin bestand, eine Sonde zu bauen, die keine Probleme mit erdähnlichen Temperaturen und Drücken hat, und dann zu versuchen, sie zu isolieren, damit sie lange genug hält, um zuvor nützliche Informationen zurückzusenden an der Hitze sterben.

Warum also nicht Sonden bauen, die von den vorherrschenden Bedingungen nicht beeinflusst werden? Ich habe kürzlich diesen Artikel über Mikroelektronik mit Vakuumröhrentechnologie gelesen.

Es gibt noch andere Einsatzmöglichkeiten für Sonden, die bei hohen Temperaturen und Drücken arbeiten: Sonnentaucher und Sonden in den Gasriesen.

Was wäre der Vorteil daran, so etwas zu tun? Wir sind gut darin, Kühlschränke, Klimaanlagen sowie alle Arten von Elektronik und Sensoren herzustellen, die bei niedrigeren Temperaturen arbeiten. Was wäre ein möglicher Vorteil eines Neuanfangs? Kann es jemals die Kosten dafür senken, alles von Grund auf neu zu machen?
@uhoh Sie entfernen einen Fehlerpunkt und verlängern möglicherweise die Missionsdauer, wenn die Isolierung nicht aufrechterhalten werden kann. Eventuell auch das Gewicht reduzieren.
@Antzi toll! Kennen Sie einen Röhrencomputer, der leichter ist als einer aus Silizium? Ich scherze halb, es gab Arbeit in der Vakuumelektronik im kleinen Maßstab, aber für Logikschaltungen ist vielleicht ein mit GaN verwandter oder ein Halbleiter mit sehr hoher Bandlücke die bessere Option. Ich habe die Frage positiv bewertet, sobald ich sie gesehen habe - meine Kommentare sollten Möglichkeiten zur Verbesserung der Frage vorschlagen - hätten als solche gekennzeichnet werden sollen. Einige Fragen der Form "Warum verwenden sie nicht einfach X?" wo X nicht existiert, haben es schwer.
@uhoh, wenn die Technologie hält, was sie verspricht, könnte sie leichter oder ähnlich wie Silikon werden. Der Artikel ist jedoch für die Frage nicht sehr interessant, da er überhaupt nicht über Hitzetoleranz spricht.
@Antzi Ich habe die Details noch nicht gelesen (nächster Ausflug in die Bibliothek), aber es hört sich so an, als würden sie Tunneln im Vakuum verwenden, jedoch ohne beheizten Emitter (kein Filament, Kaltkathode). Ich bin mir ziemlich sicher, dass das dort Beschriebene angepasst werden könnte (andere Kathode, größerer Tunnelspalt), um bei höheren Temperaturen zu arbeiten, und das bedeutet natürlich, dass es wahrscheinlich nur bei höheren Temperaturen funktionieren würde. Am einfachsten wäre eine Halbleiterlösung. Gesucht "Hochtemperaturelektronik" gefunden zB.
Ihre Frage ist wirklich interessant, und ich habe noch nie von Solar Probe Plus gehört, bis Sie sie angesprochen haben. Tolles Zeug! Ich habe dazu nochmal eine Frage gestellt .
@uhoh Vielen Dank für den Link zur Seite für Hochtemperaturelektronik. Ich kann sehen, dass mehr Entwicklung vor sich geht, als ich dachte. Ist es nicht auch interessant, dass die Solar Probe Plus wie eine Kaffeemaschine aussieht?
Das ist es! Ich dachte immer, dass es mich an etwas erinnerte, aber ich konnte nicht herausfinden, was. In der Tat!
Seit ich diese Frage geschrieben habe, habe ich erfahren, dass genau zu diesem Problem geforscht wird. Kürzlich wurde ein elektronischer Ringoszillator entwickelt, der unter venusähnlichen Bedingungen 500 Stunden überdauern konnte. Eine andere Gruppe schlug einen Rover vor, der statt eines Motors ein Segel zur Fortbewegung verwenden würde. Die NASA startet eine Sonde, die sich der Sonne bis auf 4 Millionen Meilen nähern und auf ihrer sonnenzugewandten Seite bis zu 2500 ° F erreichen wird. Es gibt also Umstände, in denen Hochtemperaturfahrzeuge nützlich sind.

Antworten (2)

@DavidVomLehn hat Recht . Ich habe gerade die Nachricht von einem kürzlich erschienenen Artikel gelesen: Verlängerter Betrieb integrierter Schaltkreise aus Siliziumkarbid unter atmosphärischen Bedingungen auf der Venusoberfläche . Siehe auch Ars Technicas Wir haben endlich einen Computer, der die Oberfläche der Venus überleben kann . Kleine Schaltkreise wurden auf Halbleiterwafern aus Siliziumkarbid statt Silizium hergestellt und dort über längere Zeiträume getestet, während sie einer venusähnlichen Temperatur von 460 ° C und einem venusähnlichen Druck von 9,4 Mbar (etwa 94 Standardatmosphären) ausgesetzt wurden. .

Die Schaltungen waren Ringoszillatoren , eine Standardteststruktur, die beim IC-Testen verwendet wird. SiC-JFETs wurden verwendet, um Ringe aus NICHT-Gattern (Invertern) zu bauen, die eine ungerade Anzahl von Gattern enthielten; lesen Sie hier mehr . Diese Konfiguration hat keinen natürlich stabilen Zustand, also schwingt sie natürlich. Änderungen in der Wellenform, Amplitude und Frequenz des Oszillators liefern Informationen über Änderungen in der Schaltung, die durch verschiedene Effekte verursacht werden, die sowohl den Siliziumkarbidkristall selbst als auch die implantierten/diffundierten Dotierstoffe, Metallisierungen und Isolatoren betreffen.

SiC kann in mehreren verschiedenen Strukturen kristallisieren, und 4H-SiC wurde wahrscheinlich wegen seiner sehr hohen Bandlücke ausgewählt. Zum Vergleich: Silizium hat nur 1,1 eV. Wenn wir sagen „Raumtemperatur ist 1/40 eV (oder 0,025 eV) ist das das Produkt der Boltzmann-Konstante k B (etwa 8,62E-05 eV/K) und der Temperatur (20°C oder 293K). Während die hohe Temperatur und der hohe Druck sowie die unangemessene Chemie mehrere mechanische und chemische Angriffe auf den Chip darstellen, hat die Temperatur einen tiefgreifenden Einfluss auf die elektronischen Eigenschaften des Halbleiters.

Während die Mathematik für dotierte Halbleiterbauelemente komplexer ist, reicht der einfache exponentielle Term aus der Ladungsträgerkonzentration eines intrinsischen Halbleiters aus, um die Bedeutung einer hohen Bandlücke zu zeigen;

n c ≈ e − E b g k B T

Für Silizium mit einer Bandlücke von etwa 1,1 eV beginnt dieser Wert bei etwa 10 − 19 bei 293K, steigt aber in die Größenordnung von 10 − 8 bei 733K! Es wäre so stark ionisiert (so viele der Siliziumatome hätten Trägerelektronen erzeugt), dass es viel zu leitfähig wäre, um bei Bedarf als Halbleiter oder Beinahe-Isolator zu fungieren.

Andererseits gehen diese Zahlen im Fall von 4H-SiC mit einer Bandlücke von 3,2 eV von erstaunlich niedrig aus 10 − 55 bei 293 K (man würde es sich als keramischen oder kristallinen Isolator vorstellen, nicht als Halbleiter) und steigt nur in der Größenordnung von an 10 − 22 bei 733K! SiC wäre bei Venustemperaturen ein geeignetes Ausgangshalbleitermaterial, ebenso wie Silizium bei Raumtemperatur. Natürlich könnte die Ladungsträgerkonzentration von intrinsischem SiC durch Dotierung erhöht werden, aber es gibt keine Möglichkeit, sich von einem zu hohen Wert für Silizium auf der Venus zu erholen.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

oben: Abbildung 1 aus dem Papier . Vor und nach dem Test unter venusianischen Atmosphärenparametern.

Siliziumkarbid-Ringoszillatoren

oben: Abbildung 2 aus dem Papier . Der Abfall der Ringoszillatorfrequenz zeigt, dass die JFETs bei erhöhter Temperatur schneller schalten, was ein Effekt ist, der mit dem richtigen Schaltungsdesign toleriert werden kann. Der Signalverlust des 11-Stufen-Oszillators stellte sich als Verbindungsproblem heraus - das Gerät funktionierte weiter, nachdem nach Abschluss der Tests bessere Verbindungen hergestellt werden konnten.

Bandlücken verschiedene Formen von Siliziumkarbid

oben: Bandlückenenergie verschiedener Kristallformen von Siliziumkarbid, gegen Temperatur. Von hier .

Neben der Vakuumröhrentechnologie untersucht die NASA Hochtemperatur-Halbleiter zur Verwendung mit Venus-Sonden .

Ich habe den Artikel gelesen. Ich schätze, es ist nicht verwunderlich, dass ich ein paar Takte hinter den Leuten zurückfinde, die tatsächlich an solchen Sachen arbeiten. Danke für die Information.
Wäre es möglich, eine Sonde zu bauen, die ohne Isolierung bei etwa 480 °C (900 °F) betrieben werden könnte?
AntwortenHierDatenschutz-Bestimmungen1y, 0v