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ELEKTRONIK FÜR DEN WELTRAUM
Der Latchup im Labor
Redaktion / idw / Pressemitteilung der Ernst-Abbe-Hochschule Jena
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11. Juli 2017

Die Bedingungen im Weltraum sind für elektronische Schaltungen äußerst anspruchsvoll: Ein Treffer der kosmischen Strahlung etwa kann einen Kurzschluss auslösen und sogar zur Zerstörung des getroffenen Bauteils führen. In Jena wurde nun ein Verfahren entwickelt, mit dem man die dabei ablaufenden Prozesse auch im Labor nachbilden kann.

ISS

Elektronische Bauteile im Erdorbit (hier ein Blick aus der Internationalen Raumstation ISS) sind extremen Bedingungen ausgesetzt. Foto: NASA [Großansicht]

Ab August dieses Jahres erhält der Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik der Ernst-Abbe-Hochschule Jena für das Forschungsprojekt LUNTE eine Förderung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR). "Im Weltraum herrschen rauhe Bedingungen, wie extreme Temperaturwechsel, Vakuum und nicht zuletzt die kosmische Strahlung, vor der wir auf der Erde durch das Erdmagnetfeld abgeschirmt werden", beschreibt Prof. Dr. Burkart Voß, der unter anderem für die Lehrgebiete "Raumfahrtsysteme" und "Elektronikdesign für Weltraumanwendungen" zuständig ist, den Ausgangspunkt des zukünftigen Vorhabens seiner Forschungsgruppe.

"Die kosmische Strahlung, die aus sehr schnellen Ionen besteht, wirkt auf elektronische Bauteile wie Gift", so Voß. "Ein einzelner Treffer eines schweren Ions kann im Bauteil einen Kurzschluss auslösen, der zur Zerstörung des Bauteils führt, wenn der Kurzschlussstrom nicht unterbrochen wird. Dieser Effekt wird Latchup genannt". Um trotzdem ohne Ausfälle auf Satelliten zu funktionieren, werden elektronische Bauelemente speziell für Anwendungen im Weltraum entwickelt und hergestellt.

Das würde auch recht gut funktionieren, sei allerdings teuer. Wegen der relativ kleinen Nachfrage nach solchen Bauelementen würden zudem in der Regel ältere Technologien zur Herstellung eingesetzt, was die Leistungsfähigkeit der integrierten Schaltkreise extrem beschränke. Wenn nicht speziell für den Weltraum qualifizierte Bauteile verwendet werden sollen, müsse das System so gebaut werden, dass die Bauteile vor Zerstörung geschützt sind und dass temporäre Ausfälle der Bauteile toleriert würden. Das könne man mit entsprechenden Redundanzkonzepten und Schutzschaltungen gegen den Latchup erreichen.

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Um solche Schutzmaßnahmen entwickeln und testen zu können, muss es jedoch möglich sein, die Effekte kosmischer Strahlung auch im Labor zu erzeugen. Das geschieht üblicherweise mit Teilchenbeschleunigern - eine sehr aufwendige und kostenintensive Methode. Hannes Zöllner, Doktorand von Voß und Professor Klaus Brieß von der TU Berlin, konnte jetzt im Rahmen seiner Promotion einen solchen Laboraufbau umsetzen: "Da durch die schweren Ionen der kosmischen Strahlung letztlich Energie im Bauteil deponiert wird, habe ich untersucht, ob man den Latchup-Effekt, der das Bauteil zerstört, nicht auch dadurch erzeugen kann, dass man Energie mit Hilfe eines kurzen Laserpulses in das Bauteil bringt", erklärt Zöllner. "Das klappte, nachdem eine Gruppe Masterstudenten und ich das Gehäuse des integrierten Schaltkreises aufgeätzt haben."

 Zöllner stellte auch fest, dass der Laserpuls sogar mit einer Laserdiode funktioniert, wie sie beispielsweise in DVD-Brennern eingebaut ist. Bei seinem kompakten Laboraufbau lässt sich der Latchup-Effekt relativ reproduzierbar mit geringem Aufwand erzeugen. In dem neuen, von der DLR für drei Jahre geförderten Anschlussprojekt will die Forschungsgruppe von Voß und Zöllner den entwickelten Laboraufbau für die Entwicklung von Latchup-Schutzschaltungen nutzen.

Der Aufbau ermöglicht, bei einer relativ großen Anzahl von Mikrocontrollern mit entsprechenden Streuungen der Parameter unter anderem die Zeitdauer zu messen, bis ein Latchup das Bauteil zerstört hat. Die Wissenschaftler konzentrieren sich auf die Zeit, die zum Abschalten des Latchupstromss benötigt wird, und entwickeln daraus gezielt eine Latchup-Schutzschaltung, die den Effekt erkennt und rechtzeitig abschaltet. Nach dem Aufbau der Schutzschaltung wird diese dann ausgiebig getestet - da die Raumfahrtelektroniker in Jena Latchups ja nun kostengünstig erzeugen können.

"Vor diesen Messungen", so Voß, "muss allerdings erst noch etwas am Testaufbau verbessert werden. Herr Zöllner und ich planen einen Autofokus des Laserlichtes auf die Oberfläche des integrierten Schaltkreises. Dazu kommt auch ein Scanner, der eine automatische Positionierung erlaubt, um immer die gleiche Stelle auf dem IC 'beschießen' zu können."

In diese Umsetzung bindet der Wissenschaftler auch seine Masterstudenten ein, da diese alles, was sie in ihren Vorlesungen theoretisch hören, auch praktisch anwenden sollen. "Übrigens machen auch unsere Bachelorstudentinnen und -studenten der Elektrotechnik/Informationstechnik in diesen Forschungsfeldern bereits ihre 'ersten Schritte'. Die Studenten sind begeistert bei der Sache“, so Voß.

Forum
Elektronische Bauteile für den Weltraumeinsatz. Diskutieren Sie mit anderen Lesern im astronews.com Forum.
siehe auch
TET-1: Schaltkreise für den Weltraumeinsatz - 14. August 2012
Technologie: Forschung für strahlungsfeste Elektronik - 13. August 2009
Links im WWW
Ernst-Abbe-Hochschule Jena
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