Dacă pentru prima dată s-a vorbit despre modelul heliocentric (în care planetele au o mișcare de revoluție în jurul Soarelui, aflat în centrul sistemului solar) în secolul 3 î.e.n. de către Aristarh din Samos [1], teoria sa a fost uitată pîna în perioada renașterii, când lucrarea sa ‘Despre dimensiunile și distanțele mutuale ale Soarelui și Lunii’ a fost republicată în 1589 la Veneția și 1684 la Oxford. [2]
A fost nevoie să treacă aproape 2000 de ani și să ajungem la Copernic, care a prezentat un model matematic al sistemului heliocentric, dezvoltat apoi de Kepler prin adăugarea orbitelor eliptice și de Galileo prin observațiile realizate cu telescopul. Eppur si muove.
Modelul heliocentric al lui Copernic, ilustrat de Andreas Cellarius [1]
A mai fost nevoie de câteva sute de ani pentru a părăsi zona de confort a umanității și a ajunge în spațiu, moment în care am aflat și că spațiul nu este prieten bun al tehnologiei. Rând pe rând, ne-au confirmat acest lucru:
- Sputnik 1 (1957)
- Sputnik 2 și Laika (1957)
- Explorer 1 (1958)
- Luna 2 (1959)
- Vostok 1 și Iuri Gagarin (1961)
- Mercury-Redstone 3 cu Alan Shepard (1961)
- Mercury-Atlas 6 cu John Glenn (1962)
- Vostok 6 și Valentina Tereșkova (1963)
- Luna 9 (1966)
- Apollo 11 (1969)
Evident, nu pot fi omise Mariner, Pioneer, Voyager, Viking, Venera, Cassini, Hubble – primele de care autorul își amintește dacă ar trebui să enumere repede câteva repere ale explorării spațiului.
Sputnik (sursa: http://www.sciencemuseum.org.uk)
Din categoria mașinăriilor care brăzdează spațiul, Voyager este una din preferatele autorului.
Voyager. Captură de ecran.
Nu, nu aceast Voyager. Dacă vorbim despre acest univers imaginar alegerea ar fi V’ger.
Voyager (sursa: interwebs via arhiva proprie)
Aceast Voyager. A fost o vreme când pe peretele camerei autorului exista un poster cu acest Voyager. Lângă cel cu Eddie și Bruce. Dar este o altă istorie.
Un palid punct albastru, 1990 (sursa: NASA)
Aceasta este ultima imagine surprinsă de Voyager 1 (Pământul este punctul deschis la culoare, aproape de jumătatea imaginii, în raza din partea dreaptă). Nu putem trece mai departe fără a adăuga la această imagine și câteva cuvinte.
That’s here. That’s home. That’s us. On it, everyone you ever heard of, every human being who ever lived, lived out their lives. The aggregate of all our joys and sufferings, thousands of confident religions, ideologies and economic doctrines, every hunter and forager, every hero and coward, every creator and destroyer of civilizations, every king and peasant, every young couple in love, every hopeful child, every mother and father, every inventor and explorer, every teacher of morals, every corrupt politician, every superstar, every supreme leader, every saint and sinner in the history of our species, lived there – on a mote of dust, suspended in a sunbeam.
Acolo ne aflăm. Acel punct este pentru noi acasă. Suntem noi. Acolo și-au trăit viața toți cei pe care îi știi, toți cei de care ai auzit până acum, fiecare om care a existat vreodată. Acolo se află toate bucuriile și suferințele noastre, mii de religii, ideologii și doctrine economice sunt acolo, fiecare vânător și culegător, fiecare erou și laș, fiecare făuritor și distrugător de civilizații, fiecare rege și țăran, fiecare pereche de îndrăgostiți, fiecare copil plin de speranță, fiecare mamă și fiecare tată, fiecare inventator și explorator, fiecare moralizator și politician corupt, fiecare superstar, fiecare lider absolut sau nu, fiecare sfânt și păcătos din istoria speciei noastre, toți au trăit acolo – pe un fir de praf plutind într-o rază de soare.
Carl Sagan, discurs la Cornell University, 1994; traducerea autorului
În 2013, la 36 de ani de la lansare, Voyager 1, încă funcțională, a părăsit sistemul solar. Este părerea autorului că sondele Voyager sunt una din cele mai mari realizări ale omului. Dar ce poate face omul pentru a minimiza efectele spațiului – unul din cele mai ostile medii care există – asupra tehnologiei trimisă în spațiu?
În continuare vom trece în revistă factorii care trebuie luați în calcul la proiectarea unui orice ajunge în spațiu.
- Radiația ionizantă (particule și energie electromagnetică cu energie mare).
Este, evident, primul factor la care ne gândim atunci când auzim ‘spațiu’.
Radiațiile pot avea orice sursă – vânt solar (protoni, electroni, ioni) sau radiația cosmică (protoni și ioni). În apropierea Pământului aceste particule sunt captate de câmpul magnetic, electronii și protonii rămânând în centura de radiații (Van Allen), ionii fiind deviați de magnetosferă (având energie mare, un număr foarte mic rămâne în centura Van Allen). Astfel, chiar dacă ar părea că sateliții sunt protejați de magnetosferă, electronica lor are probleme datorită centurii de radiații, ei fiind de fapt într-o supă de radiații.
Majoritatea componentelor care se bazează pe semiconductori pot fi deteriorate de radiația ionizantă (numită în continuare și radiație); pentru sistemele care trebuie să își desfășoare activitatea în spațiu se utilizează componente dedicate (vom vedea mai târziu ce înseamnă aceasta), componentele standard cărora li se aplică diverse metode de protecție (în cazul fericit) sau sunt caracterizate limitele lor (în cazul în care sunt folosite componente comerciale). O singură particulă care trece printr-un circuit integrat poate deplasa mii de electroni, determinând zgomot, semnale false sau modificări ale semnalului (în cazul celor analogice) sau poate cauza erori de calcul (în cazul circuitelor digitale) ori distrugerea lor (în cazul cel mai nefericit).
Metoda cea mai utilizată este reprezentată de teste; ele oferă informații despre comportament în cazul TID (Total Ionizing Dose – doza totală primită) și SEE (Single Event Effects – evenimente unice). Modurile în care o componentă este afectată de radiații se află în lista următoare: [5], [6]
- doza totală de radiații (TID – Total Ionizing Dose)
- efectele unui singur eveniment (SEE – Single Event Effects), de mai multe tipuri (SEU, SET, SEL, SEB, SES, SEGR)
TID (Total Ionizing Dose) măsoară cantitatea totală de radiații absorbită de o componentă pe parcursul vieții. Cum sunt distruse circuitele în cazul TID (varianta cea mai probabilă să se întâmple în spațiu)? O particulă care trece printr-un tranzistor generează perechi electroni-goluri. Electronii – având o mobilitate mai mare – se pot deplasa, golurile rămânând prinse în material datorită impurităților. Cu cât un circuit este supus la o doză mai mare de radiații, cu atât vor exista mai multe goluri, rezultatul final fiind că tranzistorul (în general) va rămâne într-o singură stare.
Deplasările în structura cristalului apar datorită interacțiunii particulelor încărcate cu energie – neutroni, protoni, ioni, particule alpha, fotoni gamma cu atomii din structura semiconductorului, rezultând distrugeri permanente.
Categoriile următoare conțin efectele pe care le are o singură particulă asupra circuitelor integrate (SEE – Single Event Effects).
- SEU (Single Event Upset) este definit de NASA ca fiind erori determinate de radiații în circuitele electronice, cauza fiind ionizarea mediului de către particulele încărcate cu energie la trecerea printr-un material, lăsând în urmă perechi de electroni-goluri. Rezultatul nu este distrugerea circuitului ci coruperea datelor din regiștrii și memorie. Problemele cauzate de SEU se rezolvă prin reprogramarea sau resetarea zonelor de memorie afectate.
- SEL (Single Event Latchup) și SES (Single Event Snapback) sunt situații care apar în cazul circuitelor integrate care folosesc structura PNPN, respectiv MOS, fiind evenimente produse în momentul în care particulele ajung în substratul acestora (circuitelor integrate). Rezultatul poate fi pornirea structurii (în cazul SEL) sau intrarea într-o o buclă de feedback pozitiv, tot mai mult curent trecând prin substrat (în cazul SES). În final, circuitul integrat poate fi distrus datorită cantității de căldură degajată sau a curentului care trece prin circuit dacă nu există mecanisme care să oprească alimentarea; în lipsa unei protecții defectele sunt iremediabile. În ambele cazuri este nevoie de o repornire a dispozitivului dacă nu a fost distrusă componenta implicată.
- SEB (Single Event Burnout) este evenimentul de trecere al unui ion printr-un tranzistor de putere (ex: MOSFET), transferul energetic determinând pornirea transzistorului. Dacă acesta rămâne pornit, trecerea unui curent mare poate determina arderea altor circuite sau încălzirea până la distrugerea transzistorului.
- SEGR (Single Event Gate Rupture) a fost observat în cazul MOSFET de putere la trecerea unui ion prin zona porții atunci când acesteia îi este aplicată o tensiune mare, având ca rezultat distrugerea locală.
- SET (Single Event Transient) are loc la descărcarea încărcăturii acumulate în urma unui eveniment, rezultatul fiind un semnal de scurta durata care trece prin circuit.
Pe măsură ce scade dimensiunea circuitelor integrate, crește probabilitatea SEU deoarece este nevoie de nivele energetice tot mai mici pentru a determina schimbarea tensiunii dintr-o celulă de memorie. În același timp, TID crește deoarece spațiul disponibil pentru goluri scade. Rezultatul este așadar o creștere a rezistenței în timp la radiații, însă este nevoie de o strategie de design pentru a rezolva problemele cauzate de SEE.
Înainte de a merge mai departe, să privim ordinele de mărime pentru radiații: [9]
- Anual, orice persoană primește o doză de radiații de 3-5 millisievert (0.3-0.5 rad).
- Doza pentru o radiografie toracică este de 0.1 millisievert.
- Un zbor cu avionul (~10 ore) expune corpul uman la 0.1 millisievert.
- Mergând mai departe, componentele comerciale pot supraviețui unui nivel de 500-1000 rad.
- Un satelit pe orbită polară are TID de 50 krad în 10 ani.
Pentru a elimina problemele cauzate de radiații, prima măsură care este luată este ecranarea sistemelor electronice. Ecranarea poate fi realizată atât la nivelul întregului ansamblu electronic, cât și la nivelul componentelor. Ecranarea oferă protecție împotriva radiațiilor emise odată cu erupțiile solare, însă efectul împotriva radiațiilor cosmice (care au energie mare) este minim. Astfel, ecranarea asigură reducerea TID, însă nu este extrem de folositoare împotriva SEE.
În cazul utilizării materialelor normale pentru ecranarea modulelor electronice, diferența între 1 mm și 1 cm de aluminiu este nesemnificativă, o izolare de 1mm fiind suficientă (de exemplu, 95% din protecția la radiații a ISS este realizată de stratul exterior de câțiva mm [10]). În plus, o ecranare medie poate avea efecte adverse (pentru particulele cu energie mare este de preferat mai puțină ecranare decât o ecranare medie – polietilenă sau apă în locul aluminiului).
Un produs dedicat ecranării circuitelor este DDC (fost Maxwell) Rad-Pak – o tehnologie de ecranare a circuitelor integrate care reduce TID primită de semiconductori.
Maxwell Rad-Pak (sursa: Data Device Corporation – http://www.ddc-web.com)
Circuit integrat dedicat pentru utilizarea în spațiu (sursa: Honeywell)
Din punct de vedere hardware, circuitele integrate pot fi protejate prin ecranare utilizând boronul sărăcit, prin utilizarea unui substrat izolator în locul semiconductorilor (SOI – Silicon on Insulator, SOS – Silicon on Sapphire), poate fi utilizată tehnologia MRAM (Magnetoresistive RAM) pentru memoria permanentă și SRAM (în locul DRAM) pentru memoria volatilă. [6]
Desigur, există și alte soluții utilizabile în domeniul spațial, care nu țin de circuitele integrate ci, mai degraba, de modul în care este gândit întregul sistem:
- Utilizarea memoriei cu corecție de erori este o tehnică foarte des utilizată, însă deoarece continutul memoriei poate fi alterat atunci când memoria nu este accesată, este nevoie de un sistem adițional, care să parcurgă continuu conținutul memoriei, corectând-o.
- O altă tehnică presupune implementarea redundanței la nivelul sistemelor (calcul simultan pe mai multe calculatoare și compararea rezultatelor iar orice sistem care are un alt rezultat va reface calculul).
- Desigur, redundanța poate fi implementată și la nivelul componentelor circuitelor integrate (3 regiștri în locul unuia singur și sisteme de validare a datelor și rezultatelor operațiilor).
- Sistemele care trebuie să funcționeze continuu au de obicei implementat și un watchdog, acesta determinând un reset al sistemului supravegheat în cazul în care nu primește într-o perioadă de timp un semnal de la acesta.
- Odată cu evoluția tehnologiei, o nouă tehndință este implementarea de interfețe, interconectări și procesoare reconfigurabile. Rezultatul va fi reprezentat de sisteme modulare, reconfigurabile, adaptabile, reprogramabile, interconectabile, reutilizabile. Sistemele la care se aplică această abordare sunt FPGA și microprocesoarele obișnuite. [7], [8]
Componentele care pot fi utilizate în modulele eletcronice din spațiu intră în categoria Radiation tolerant. Această specificație depinde de producătorul unui circuit integrat. Unii producători consideră că un circuit este la 100krad, în timp ce alții pleacă de la 300 krad, unele produse dedicate spațiului având TID de 1Mrad. În general se consideră că o valoare de 100 krad face ca un circuit intergrat să se califice pentru utilizarea în spațiu.
Protecția la radiații este unul din factorii luați în calcul la proiectarea întregului sistem, calculându-se care este nivelul de radiații la care va fi supus sistemul, evenimentele posibile/probabile (ex: erupții solare, centura Van Allen, etc).
Pată solară gigantică, 2005, Jan Koeman (sursa: NASA)
2. Substanțele utilizate
Este acordată o atenție deosebită substanțelor chimice utilizate în modulele electronice deoarece dacă există și instrumente utilizate pentru observații acestea pot interacționa. Circuitele integrate sunt ceramice, nefiind utilizate în general circuite integrate din plastic datorită posibilei emisii de vapori (outgassing) care pot ajunge – de exemplu – pe instrumentele optice.
Pasta clasică pentru lipire conține o combinație staniu-plumb (63%-37%). Însă începând cu 2006 UE a impus un standard de protecție a mediului pentru produsele electronice – RoHS (Reduction of Hazardous Substances), urmat apoi de REACH; aceste directive interzic utilizarea plumbului în lipirea componentelor electronice. Au fost exceptate însă industriile spațială și militară, care pot utiliza în continuare pasta bazată pe plumb.
3. Temperatura
O altă problemă care trebuie rezolvată de sistemele care sunt utilizate în spațiu este temperatura sau, mai exact, managementul termic. Proiectarea unui sistem care să funcționeze în spațiu presupune luarea în calcul a două aspecte: emisia ca radiație a căldurii degajate în timpul funcționării și reflectarea radiației primite.
În general, un sistem aflat în spațiu (un satelit, de exemplu) poate ajunge la peste 100 de grade pe partea aflată spre Soare și -100 de grade pe partea umbrită (+120 și -150 după alte surse). Daca însă sistemul este pe Lună, acesta trebuie să funcționeze la temperaturile locale (120 de grade ziua și -180 de grade noaptea). Aceasta în condițiile în care temperatura spațiului este de ~2.7 Kelvin (~ -270.5 grade Celsius, mai mare decât 0 Kelvin datorită radiației Universului). Astfel ajungem la o altă categorie de specificații pe care trebuie să le respecte componentele utilizate în industria spațială: intervalul mare de temperaturi în care să funcționeze. În plus, în spațiu nu există aer (ce surpriză, nu-i așa?), astfel că pentru managementul termic tehnicile diferită față de cele utilizate în atmosferă.
Pe scurt, căldura degajată de componentele electronice este transferată spre zonele umbrite și este apoi radiată în spațiu.
Exemplu de analiză termică pentru un sistem (sursa: ALD Service, http://aldservice.com)
Sistem de transfer al căldurii degajate (sursa: Universitatea din Brighton [16])
Pentru a realiza o barieră eficientă termic între mediu și sistemul protejat termic, sunt utilizate izolații în mai multe straturi, materialele trebuind să aibă un risc de contaminare mică (vezi și secțiunea dedicată substanțelor chimice). Materialele utilizate frecvent pentru realizarea izolației sunt fibra de sticlă, Teflon (PTFE) – la exterior, film de mylar metalizat – central și Nomex – la interior.
Pentru a realiza un management termic adecvat și a avea o temperatură constantă, multe din obiectele aflate în spațiu utilizează un mod de lucru dedicat – modul ‘rotisor’, ele neprezentând tot timpul aceeași parte spre Soare. Evident, mișcarea de rotație are și rol în stabilizare, însă acesta nu este singurul. Două exemple de management termic prin rotire sunt modulele misiunilor Apollo și minisateliții (Cubesats). Cubesats utilizează COTS care au temperatura de funcționare în intervalul comercial extins (-20-85 grade Celsius), industrial (-40-85 grade Celsius) sau extins (-40-105 grade Celsius). Dacă sunt bine proiectați, în interior temperatura nu oscilează cu mai mult de 40-60 de grade, între -15 și +45, totul datorită mișcării proprii și căldurii degajate de componentele electronice. Ca notă finală, deși pare contraintuitiv, într-un proiect de lansare a unui Cubesat, un proiectant își făcea în timpul dezvoltării mai multe griji pentru căldură decât pentru frig.
4. Șocuri mecanice
Gravity este un film care prezintă efectele pe care le poate avea gunoiul spațial asupra obiectelor aflate în spațiu (se presupune că vom fi martori ai efectului Kessler dacă nu facem ceva cât mai repede) și indirect asupra noastră prin moartea eroului care salvează sexy astronauta. În 2009 a avut loc o ciocnire între doi sateliți (unul inactiv din 1995); NASA urmărește continuu 20000 de obiecte cu mărime de peste 5 cm, însă numărul celor cu dimensiunea mai mare de 1 cm este estimat la 500000. [11]
Când vine grindina (sursa: screen grab)
Nu, în spațiu nu e așa (sursa: screen grab)
Pământul și gunoiul din spațiu – LEO și GEO (sursa [12])
Kevlarul poate proteja eficient o structură aflată în spațiu la coliziunea cu asemenea obiecte. Imaginile următoare prezintă rezultatul coliziunii unei bucăți de aluminiu (cu diametrul de 7.5 mm care se deplasa cu 7 km/s) cu materialul utilizat pentru protecția ISS și ESA ATV (Kevlar și Nextel – fibre cu oxid de aluminiu), test efectuat pentru ESA la Institutul Fraunhofer cu Extra Large Light Gas Gun (ELLGG).
Tunul ELLGG și rezultatul testelor
5. Accelerația și vibrațiile.
Dacă accelerația a fost discutată într-un articol anterior, vibrațiile sunt subiectul unui articol viitor.
Revenind – după mica incursiune la nivelul sistemelor – la componentele electronice, este evident că prețul componentelor electronice recomandate pentru utilizarea în spațiu este pe măsură datorită necesității de dezvoltare și testare intensivă. Cu toate acestea, este o piață în creștere, odată cu accesul tot mai facil la spațiu.
Notă de final: un sondaj a arătat că 42% dintre români cred că Soarele se învârte în jurul Pământului. Adică în teoria geocentrică. [17]
Modelul geocentric al lui Ptolemeu – ‘Imagine a corpurilor cerești’, ilustrație de Bartolomeu Velho [3]
Înainte de încheiere: se poate mai rău – știați că există și oameni care cred în continuare în teoria Pământului plat? [18]
Fin.
Iulian
Surse:
[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Heliocentrism [2] https://ro.wikipedia.org/wiki/Aristarh_din_Samos [3] https://en.wikipedia.org/wiki/Geocentric_model [4] https://en.wikipedia.org/wiki/Space_exploration [5] http://www.datarespons.com/electronics-in-space/ [6] https://en.wikipedia.org/wiki/Radiation_hardening [7] Andrew S. Keys et al – High-Performance, Radiation-Hardened Electronics for Space and Lunar Environment [8] Andrew S. Keys et al – Radiation Hardened Electronics for Space Environments (RHESE) [9] https://www.nrc.gov/about-nrc/radiation/around-us/doses-daily-lives.html [10] https://science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/2005/27jan_solarflares/ [11] https://www.extremetech.com/extreme/175230-japan-is-preparing-to-launch-a-giant-magnetic-net-that-will-trawl-space-for-junk [12] https://www.extremetech.com/extreme/185150-heres-what-space-debris-does-to-the-kevlar-shielding-protecting-the-international-space-station [13] https://en.wikipedia.org/wiki/Radiation_protection [14] Omid Zeynali – Shielding protection of electronic circuits against radiation effects of space high energy particles [15] https://en.wikipedia.org/wiki/Spacecraft_thermal_control [16] https://www.brighton.ac.uk/advanced-engineering/research-projects/novel-hybrid-heat-pipe-for-space-and-ground-applications.aspx [17] http://www.gandul.info/stiri/portretul-unei-tari-multi-romani-cred-ca-soarele-se-invarte-in-jurul-pamantului-ca-pe-vremea-dinozaurilor-traiau-oameni-sau-ca-horoscopul-este-foarte-stiintific-6747523 [18] http://flatearthsociety.org/ [19] http://www.nss.org/settlement/nasa/spaceresvol2/thermalmanagement.html [20] http://www.af.mil/News/ArticleDisplay/tabid/223/Article/123263/af-engineers-create-thermal-control-system-for-space-use.aspx
Despre părinții cosmologiei (după părerea autorului):
https://en.wikipedia.org/wiki/Nicolaus_Copernicus
https://en.wikipedia.org/wiki/Johannes_Kepler
https://en.wikipedia.org/wiki/Galileo_Galilei