Un material exótico preparado para convertirse en el semiconductor de elección para la electrónica de potencia —porque es mucho más eficiente que el silicio— ahora está siendo estudiado para posibles aplicaciones en el espacio.

Dos equipos de la NASA están examinando el uso de nitruro de galio, un compuesto semiconductor de tipo cristal descubierto por primera vez en la década de 1980, y se utiliza actualmente en electrónica de consumo, como diodos láser en lectores de DVD. Entre sus muchos atributos, nitruro de galio — GaN, para abreviar, demuestra menos resistencia eléctrica y, por lo tanto, pierde solo una pequeña proporción de energía en forma de calor. El material puede soportar 10 veces la corriente eléctrica del silicio, permitiendo más pequeño, más rápido, y dispositivos más eficientes. Además, es tolerante a una amplia gama de temperaturas, resistente a la radiación, y resulta que adepto a la detección de partículas energéticas.

No es de extrañar entonces que los científicos e ingenieros del Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland, están interesados ​​en ver cómo podrían aprovechar este material versátil para mejorar la exploración espacial.

Con su financiación, El ingeniero Jean-Marie Lauenstein y la científica Elizabeth MacDonald están investigando transistores de alta movilidad de electrones de nitruro de galio, o GaN HEMT, para su uso en el estudio de cómo la magnetosfera de la Tierra se acopla a su ionosfera, una cuestión clave en el campo de la heliofísica, que, entre otras cosas, estudia las fuerzas que impulsan el cambio en nuestro entorno espacial. Stanley Hunter y Georgia de Nolfo, mientras tanto, están investigando el uso del material en un detector de neutrones de estado sólido que es relevante tanto para la ciencia como para la seguridad nacional.

Transistores de nitruro de galio

Los transistores o semiconductores de nitruro de galio estuvieron disponibles comercialmente en 2010, pero aún no han encontrado su camino hacia los instrumentos de los científicos espaciales, a pesar de su potencial para reducir el tamaño de un instrumento, peso, y consumo de energía. Hay una razón para eso dijo Lauenstein. Aunque se predice que el nitruro de galio es resistente a muchos tipos de daños por radiación que se encuentran en el espacio, ni la NASA ni el ejército de los EE. UU. han establecido estándares que caractericen el rendimiento de estos dispositivos con transistores cuando se exponen a la radiación extrema en el espacio.

Cuando es golpeado por rayos cósmicos galácticos u otras partículas energéticas, Los equipos electrónicos pueden experimentar alteraciones de un solo evento catastróficas o transitorias. "Tenemos estándares para el silicio, "Dijo Lauenstein." No sabemos si los métodos para los transistores de silicio se aplicarían a los transistores de nitruro de galio. Con silicio, podemos evaluar el umbral de fracaso ".

Con la financiación, Lauenstein y MacDonald se están asociando con el Laboratorio Nacional de Los Alamos en Nuevo México, un fabricante de piezas, y las Partes y Empaques Electrónicos de la NASA para establecer criterios que aseguren que un dispositivo de tipo GaNs pueda resistir los efectos de partículas potencialmente dañinas producidas por los rayos cósmicos galácticos y otras fuentes.

El material podría ser útil en aceleradores de haz de electrones, compuestos por transistores de nitruro de galio, construidos para mapear líneas magnéticas específicas en la magnetosfera protectora de la Tierra con sus huellas en la ionosfera de la Tierra donde ocurren las auroras, lo que ayuda a mostrar cómo las dos regiones del espacio cercano a la Tierra conectar.

"La investigación del equipo sobre la tolerancia a la radiación nos ayuda a comprender cómo hacer volar estos aceleradores en el duro entorno espacial durante la vida de la misión, "Dijo MacDonald.

Según Lauenstein, estos estándares también beneficiarán a otras disciplinas científicas. "Necesitamos un camino a seguir para esta tecnología, "Ella dijo" Esto abre la puerta para que otros incorporen esta tecnología en sus propias misiones ".

Potencialmente "cambio de juego"

Para de Nolfo y Hunter, El nitruro de galio ofrece una solución potencial para construir un detector y obtener imágenes de neutrones, que son de corta duración y normalmente caducan después de unos 15 minutos. Los neutrones pueden ser generados por eventos energéticos en el Sol, así como por interacciones de los rayos cósmicos con la atmósfera superior de la Tierra. Los neutrones generados por los rayos cósmicos en la atmósfera pueden sumarse al cinturón de radiación de la Tierra, una muestra de radiación que rodea a la Tierra que, entre otras cosas, puede interferir con la electrónica de los satélites a bordo, cuando se desintegran. Los investigadores han descubierto que GaN puede formar la base de un detector de neutrones altamente sensible.

"El cristal de nitruro de galio podría cambiar las reglas del juego para nosotros, "dijo de Nolfo.

Bajo su concepto, Hunter y de Nolfo colocarían un cristal de nitruro de galio dentro de un instrumento. Cuando los neutrones entraron en el cristal, dispersan átomos de galio y nitrógeno y, en el proceso, excitar otros átomos, que luego producen un destello de luz que revela la posición del neutrón que inició la reacción. Los fotomultiplicadores de silicio unidos al cristal convierten el destello de luz en un pulso eléctrico para ser analizado por la electrónica del sensor.

"El nitruro de galio se conoce bastante bien en la industria de la fotoelectrónica, pero creo que estamos empujando un poco los límites en esta aplicación, "Hunter dijo, agregando que la belleza del concepto es que no contendría partes móviles, usa poca energía, y operar en el vacío. Si funciona, el instrumento beneficiaría a diferentes disciplinas de la ciencia espacial y al ejército en la detección de material nuclear, añadió.