Aleación de Si-Ge para aplicaciones espaciales

Un proyecto que en la actualidad lleva cinco años de trabajo, dirigido por el Instituto de Tecnología de Georgia, desarrolla un nuevo enfoque en la electrónica aplicada a actividades en el espacio exterior. Este trabajo podría cambiar la forma en que los vehículos espaciales y los instrumentos aplicados en ellos están diseñados. Los beneficios se basan en la ya conocida tecnología de “Silicio-Germanio” (SiGe) que ha demostrado ser altamente resistente a las variaciones de temperatura que una aplicación espacial demanda. Sin dudas, este resultado abre un nuevo horizonte a las futuras aplicaciones electrónicas en el espacio exterior.

En la actualidad, los sistemas electrónicos dedicados a aplicaciones espaciales están construidos en base a componentes y dispositivos que cumplen con el estándar de uso militar. Es decir, son aptos para trabajar en condiciones de temperaturas que pueden variar entre -55°C y 125°C. Sin embargo, por mencionar un ejemplo cercano, en la superficie lunar las temperaturas oscilan entre 120°C durante el día lunar y -180°C durante la noche. Para salvar estos inconvenientes y mantener a los equipos “de a bordo” siempre operativos, los diseñadores de las naves o vehículos utilizados en el espacio exterior necesitan apelar a protecciones especiales contra radiaciones solares o temperaturas extremas que, gracias a este nuevo trabajo, se pueden reducir drásticamente en tamaño, peso y costo.

Bajo el título "SiGe Integrated Electronics for Extreme Environments” (SiGe Electrónica Integrada para Ambientes Extremos), este trabajo fue financiado por la NASA con un presupuesto de 12 millones de dólares y ya lleva 63 meses de trabajo. Además de Georgia Tech, existe un equipo formado por 11 miembros, entre ellos investigadores académicos y alumnos de diversos centros de estudios como la Universidad de Arkansas, la Universidad de Auburn, la Universidad de Maryland, la Universidad de Tennessee y la Universidad de Vanderbilt. BAE Systems, Boeing Co., IBM Corp., Inc. Lynguent y el conocido NASA’s Jet Propulsion Laboratory también participan en el proyecto.

"La tarea general del equipo es desarrollar una solución de trabajo extremo para la NASA. Es decir, una infraestructura de pruebas que incorpore todo lo necesario para diseñar y construir la electrónica necesaria para trabajar en un medio ambiente hostil y extremo como el que se debe afrontar durante las misiones espaciales", dijo John Cressler quien junto a Ken Byers son profesores de la Escuela de Ingeniería Eléctrica y Computación de Georgia Tech. Cressler es uno de los  investigadores principales y jefes de equipo para el proyecto en general. Un documento sobre los resultados del proyecto se publicará en diciembre (2010) en la IEEE Transactions on Device and Materials Reliability. Durante los últimos cinco años, el trabajo realizado en el marco del proyecto ha dado lugar a unas 125 publicaciones revisadas, controladas y aceptadas por otros científicos.

Capacidades únicas
La aleación Si-Ge combina al silicio (el material más común utilizado en la construcción de dispositivos electrónicos activos) con el germanio (material devenido en desuso hace 50 años por las mejores características que presentaba el silicio) pero en dimensiones nanométricas. El resultado de esta aleación es un material sólido que ofrece importantes y sorprendentes avances en dureza, velocidad y flexibilidad. Esta solidez ofrecida es fundamental para un apropiado funcionamiento en el espacio sin voluminosos protectores de la radiación o grandes aparatos encargados de mantener una temperatura de funcionamiento estable, con el consecuente consumo “extra” de energía. En comparación con los sistemas electrónicos convencionales, la tecnología Si-Ge puede ofrecer importantes reducciones en el peso, tamaño, complejidad, potencia y coste, así como una mayor fiabilidad y adaptabilidad.

El enfoque convencional para la protección de electrónica espacial, desarrollado en la década de 1960, consiste en voluminosas cajas de metal que contienen los dispositivos de protección de la radiación y temperatura extrema que existe en el espacio exterior. Los diseñadores deben alojar la mayoría de la electrónica de proceso en un área protegida, con sistemas controlados de temperatura, y dentro de un lugar centralizado. Luego, hacia allí convergen largos y pesados cables que provienen de los diversos sensores u otros dispositivos externos que posea el vehículo (nave, satélite, rover, etc.). Al eliminar la necesidad de una gran parte de blindaje y cables especiales, la tecnología de silicio-germanio ayudará a reducir el problema más grande de los objetos espaciales: “el peso”. Por otra parte, los robustos circuitos de Si-Ge se podrán colocar donde los diseñadores deseen, lo que ayudará a eliminar errores en los datos causados por las variaciones de impedancia en los sistemas de largos cableados.

"Por ejemplo, el actual grupo de vehículos Mars Exploration Rovers, que son del tamaño de un carrito de golf, necesitan utilizar varios kilómetros de cables que conectan todos los sensores y dispositivos externos hacia lo que se llama una caja caliente", dijo Ken Byers. "Si podemos pasar la mayor parte de los productos electrónicos a los lugares donde están los sensores (en las extremidades del robot), podremos reducir el cableado, el peso, la complejidad y el uso de energía de manera significativa".

La NASA actualmente está trabajando en esta nueva electrónica de Si-Ge en un nivel de preparación tecnológica que consideran como Nivel 6. Esto significa que los circuitos se han integrado en un subsistema y se han ensayado en un entorno de referencia. El siguiente paso, el Nivel 7, implica la integración de los circuitos de Si-Ge en vehículos de inspección dentro de los vuelos espaciales. En el Nivel 8, esta nueva tecnología estará lo suficientemente madura como para integrarse en un vehículo completo dentro de una misión. Y por último, en un Nivel 9, la tecnología podrá ser utilizada por las misiones espaciales con una rutina regular de trabajo.

“Una de las bases del éxito de este desarrollo fue la eficacia del trabajo en equipo”, dijo Ken Byers, al tiempo que agregó que "nunca había visto un resultado tan bueno en un equipo de trabajo tan diverso”. El profesor Alan Mantooth, quien dirigió al grupo de la Universidad de Arkansas en la tarea de participar en los trabajos de modelado y diseño de circuitos, estuvo de acuerdo en esas apreciaciones. Llamó al proyecto "el trabajo colaborativo más exitoso del que yo he sido parte". Mantooth considera al proyecto de “electrónica extrema” de gran utilidad en la misión educativa de las universidades participantes. Señaló que un total de 82 estudiantes de seis universidades trabajaron en el proyecto durante cinco años. Richard W. Berger, un arquitecto de sistemas de alto nivel de BAE Systems, también elogió las contribuciones de los estudiantes que colaboraron en el proyecto.