¿Sería posible construir una sonda que pudiera funcionar a unos 480 °C (900 °F) sin aislamiento?

Leí una pregunta sobre el enfriamiento de un módulo de aterrizaje de Venus y pensé que el problema estaba en construir una sonda que no tuviera problemas con las temperaturas y presiones similares a las de la Tierra, y luego tratar de aislarla para que pudiera durar lo suficiente como para enviar información útil antes. muriendo de calor.

Entonces, ¿por qué no construir sondas que no se vean afectadas por las condiciones predominantes? Recientemente leí este artículo sobre microelectrónica usando tecnología de tubo de vacío.

Hay otros usos potenciales para las sondas que operan a altas temperaturas y presiones: buceadores solares y sondas en los gigantes gaseosos.

¿Cuál sería el lado positivo de hacer algo así? Somos buenos en la fabricación de refrigeradores, acondicionadores de aire y todo tipo de dispositivos electrónicos y sensores que funcionan a temperaturas más bajas. ¿Cuál sería un posible beneficio de empezar de nuevo? ¿Puede alguna vez eliminar el costo de hacer todo desde cero?
@uhoh Elimina un punto de falla y posiblemente mejore la duración de la misión si el aislamiento no se puede mantener. Posiblemente reducir el peso también.
@Antzi genial! ¿Conoce una computadora de tubo de vacío que sea más liviana que una hecha de silicio? Estoy medio bromeando, ha habido trabajo en la electrónica de vacío a pequeña escala, pero para los circuitos lógicos, tal vez un semiconductor relacionado con GaN o con una banda prohibida muy alta sea la mejor opción. Voté a favor de la pregunta tan pronto como la vi, mis comentarios tenían la intención de sugerir formas de mejorar la pregunta, deberían haber sido etiquetados como tales. Algunas preguntas de la forma "¿Por qué no usan simplemente X?" donde X no existe lo pasan mal.
@uhoh, si la tecnología cumple su promesa, podría volverse más liviana o similar a la silicona. Sin embargo, el artículo no es muy interesante para la pregunta, ya que no habla en absoluto sobre la tolerancia al calor.
@Antzi Todavía no he leído los detalles (próximo viaje a la biblioteca) pero parece que están usando túneles en el vacío pero sin un emisor calentado (sin filamento, cátodo frío). Estoy bastante seguro de que lo que se describe allí podría ajustarse (cátodo diferente, espacio de túnel más grande) para que funcione a una temperatura más alta y, por supuesto, eso significa que probablemente solo funcione a una temperatura más alta. Una solución de semiconductores sería la más sencilla. Busqué "electrónica de alta temperatura" y encontré esto, por ejemplo.
Su pregunta es muy interesante y nunca había oído hablar de Solar Probe Plus hasta que usted la mencionó. ¡Cosas increíbles! He hecho otra pregunta al respecto.
@uhoh Gracias por el enlace a la página de electrónica de alta temperatura. Puedo ver que se está produciendo más desarrollo del que pensaba. Además, ¿no es interesante que el Solar Probe Plus parezca una cafetera?
¡Eso es todo! No dejaba de pensar que me recordaba a algo, pero no podía averiguar qué. ¡Por cierto!
Desde que escribí esta pregunta, aprendí que se ha estado investigando exactamente este problema. Recientemente, se creó un oscilador de anillo electrónico que podía durar 500 horas en condiciones similares a las de Venus. Otro grupo propuso un rover que usaría una vela para moverse, en lugar de un motor. La NASA está lanzando una sonda que se acercará a 4 millones de millas del Sol y experimentará hasta 2500F en su lado hacia el sol. Entonces, hay circunstancias en las que los vehículos de alta temperatura serán útiles.

Respuestas (2)

@DavidVomLehn tiene razón . Acabo de leer noticias hoy sobre un artículo reciente Operación prolongada del circuito integrado de carburo de silicio en las condiciones atmosféricas de la superficie de Venus . Ver también Ars Technica's Finalmente tenemos una computadora que puede sobrevivir a la superficie de Venus . Se fabricaron pequeños circuitos en obleas semiconductoras hechas de carburo de silicio en lugar de silicio, y se probaron durante largos períodos de tiempo mientras estaban sujetos a una temperatura similar a la de Venus de 460 °C y una presión similar a la de Venus de 9,4 Mbar (alrededor de 94 atmósferas estándar) .

Los circuitos eran osciladores en anillo , una estructura de prueba estándar utilizada en las pruebas de circuitos integrados. Los JFET de SiC se utilizaron para construir anillos de puertas NOT (inversores) que contenían un número impar de puertas; lea más aquí . Esta configuración no tiene un estado naturalmente estable, por lo que oscila naturalmente. Los cambios en la forma, amplitud y frecuencia de la forma de onda del oscilador brindan información sobre los cambios en el circuito, causados ​​por varios efectos diferentes que involucran tanto al propio cristal de carburo de silicio como a los dopantes, metalizaciones y aislantes implantados/difundidos.

SiC puede cristalizar en varias estructuras diferentes, y probablemente se eligió 4H-SiC por su banda prohibida muy alta. A modo de comparación, el silicio tiene solo 1,1 eV. Cuando decimos que "la temperatura ambiente es 1/40 de un eV (o 0,025 eV), ese es el producto de la constante de Boltzmann k B (alrededor de 8.62E-05 eV/K) y la temperatura (20C o 293K). Si bien la temperatura y la presión altas y la química traviesa presentan varios insultos mecánicos y químicos en el chip, la temperatura tiene un efecto profundo en las propiedades electrónicas del semiconductor.

Si bien las matemáticas para los dispositivos semiconductores dopados son más complejas, el simple término exponencial de la concentración de portadores de un semiconductor intrínseco es suficiente para mostrar la importancia de una banda prohibida alta;

norte C ≈ mi − mi b gramo k B T

Para el silicio con una banda prohibida de aproximadamente 1,1 eV, ese valor comienza en aproximadamente 10 − 19 a 293K pero sube al orden de 10 − 8 a 733K! Estaría tan altamente ionizado (muchos de los átomos de silicio habrían producido electrones portadores) que sería demasiado conductor para funcionar como semiconductor o casi aislante cuando fuera necesario.

Por otro lado, en el caso del 4H-SiC con una banda prohibida de 3,2 eV, esos números van desde un nivel sorprendentemente bajo 10 − 55 a 293K (lo consideraría un aislante cerámico o cristalino, no un semiconductor) y se eleva solo al orden de 10 − 22 a 733K! SiC a las temperaturas de Venus sería un material semiconductor de partida adecuado de la misma manera que el silicio lo sería a temperatura ambiente. Por supuesto, la concentración de portadores de SiC intrínseco podría aumentar mediante el dopaje, pero no hay forma de recuperarse de un valor demasiado alto de silicio en Venus.

ingrese la descripción de la imagen aquí

arriba: Figura 1 del artículo . Antes y después de ser probado bajo los parámetros de la atmósfera de Venus.

Osciladores de anillo de carburo de silicio

arriba: Figura 2 del artículo . La caída en la frecuencia del oscilador en anillo muestra que los JFET cambian más rápido a temperatura elevada, que es un efecto que se puede tolerar con un diseño de circuito adecuado. Se descubrió que la pérdida de señal del oscilador de 11 etapas era un problema de conexión: el dispositivo continuó funcionando una vez que se pudieron hacer mejores conexiones después de la conclusión de la prueba.

Brechas de banda varias formas de carburo de silicio

arriba: energía de banda prohibida de varias formas cristalinas de carburo de silicio, frente a la temperatura. Desde aquí _

Además de la tecnología de tubos de vacío, la NASA está investigando semiconductores de alta temperatura para usar con las sondas Venus .

Leí el artículo. Supongo que no es sorprendente encontrarme un poco por detrás de las personas que realmente trabajan en cosas como esta. Gracias por la información.
¿Sería posible construir una sonda que pudiera funcionar a unos 480 °C (900 °F) sin aislamiento?
RespuestasAquíPolítica de privacidad1y, 0v