Что происходит с металлом в космосе
Обновлено: 04.10.2024
Любопытный процесс, получивший название холодная сварка, позволяет соединять металлические детали, не используя тепло и какие-либо химические реакции.
Ричард Фейнман — американский физик-теоретик. Один из создателей квантовой электродинамики.
Выдающийся американский учёный Ричард Фейнман в своём труде «Фейнмановские лекции по физике» так объясняет суть явления:
«Причиной необычного „поведения“ атомов служит тот факт, что когда в вакууме один металлический предмет контактирует с другим предметом из того же материала, атомы перестают „понимать“, что они находятся в двух разных кусках металла. Если же между двумя соприкасающимися поверхностями присутствуют какие-либо другие атомы, частицы металла „знают“, что принадлежат к определённой структуре, поэтому в обычных условиях холодная сварка не происходит».
Не нужно быть Фейнманом, чтобы понять, что холодная сварка может обернуться для космонавтов серьёзными неприятностями — например, если края люка шлюзовой камеры «прикипят» к обшивке. Холодная сварка уже становилась причиной проблем — скажем, у космического аппарата «Галилео» в ходе полёта намертво «срослись» детали антенны. Чтобы не допустить чего-то подобного, конструкторам приходится идти на различные ухищрения: снижать количество движущихся деталей, изготавливать их из разных материалов или покрывать их поверхности защитным слоем.
В этом году человечество приземлилось на свою первую комету, у женщины с пересаженной маткой родился ребёнок, а окаменевшие морские ракушки заставили нас полностью пересмотреть наши представления о человеческой культуре. И это — лишь некоторые из важнейших научных достижений, перечисленных ниже. 1. Старейший рисунок, сделанный до эпохи современного человека В 2007-м году археологи изучали окаменелые ракушки в музейной коллекции, и наткнулись на одну деталь, которую предыдущие исследователи почему-то пропустили: гравюры на ракушках в виде абстрактных узоров. Возраст… Читать далее…
Атакамская Большая Миллиметровая/субмиллиметровая Решётка (сокращённо ALMA) — это самый мощный в мире комплекс радиотелескопов, построенный на севере Чили. Плато Чахнантор, где расположен комплекс, находится на высоте 5 000 м — это выше большинства объектов в тропосфере. ALMA, что означает «душа», — это ещё и машина времени. Она заглядывает в прошлое, чтобы проверить существующие научные теории о том, как 13 млрд лет назад возникла Вселенная. Она толкает нас в будущее, потому что мы ищем новые… Читать далее…
Считается, что с 1969-го по 1972-й год США 6 раз побывали на Луне, 12 астронавтов ступили на её поверхность. Однако по сей день можно услышать мнение, что высадка американцев на Луну — великая мистификация. Попробуем разобраться в этом непростом вопросе. Теория «лунного заговора» В 1974-м году свет увидела книга американца Билла Кейзинга «Мы никогда не летали на Луну» — она стала началом распространения теории «лунного заговора». У Кейзинга были основания поднимать эту тему, так… Читать далее…
Об этом в интервью «Российской газете» сказал вице-президент Объединенной ракетно-космической корпорации (ОРКК) Виталий Лопота. «Луна, например, нам пока недоступна. Чтобы достичь поверхности Луны экипажем в три человека, нужна ракета грузоподъемностью не менее 130–150 тонн на нижнюю орбиту. К сожалению, таких носителей сегодня нет. А те носители, которые есть, не позволяют этого сделать», — сказал Лопота. По словам вице-президента ОРКК, «мы сегодня создаем ракеты грузоподъемностью 20 тонн на нижней орбите, в скором будущем дойдем до 25… Читать далее…
Совсем недавно в прокат вышел фильм Кристофера Нолана «Интерстеллар». Картина о гибнущей Земле и о полёте в космос сразу же стала темой жарких дискуссий во всемирной паутине. Кто-то считает этот фильм чуть ли не лучшим фильмом десятилетия. Кто-то наоборот, яростно ненавидит эту картину, и всячески старается подчеркнуть различные промахи режиссёра. Но и сторонники, и противники фильма сходятся в одном: космос — чрезвычайно опасное место, и способов погибнуть там очень много. Некоторые из этих способов перечислены ниже. 1.… Читать далее…
Что за крохотные точки изящно кружат вокруг Земли? Отблески далёких звезд? Газообразные остатки некой далёкой туманности? Нет: это просто гигантский рой мусора на орбите нашей планеты. В НАСА создали 3D-визуализацию, показывающую, как космический мусор летает вокруг Земли. Красиво, правда? Очень. Пока вы не осознаете, что это такое. Отдел НАСА по слежению за искусственными космическими объектами выяснил, что вокруг Земли летает 21000 объектов размером более десяти см и около полумиллиона… Читать далее…
Эта изумительная коллекция космических звуков, выпущенная НАСА, вызывает только один вопрос: если в космосе никто не сможет услышать вашего крика, то почему же там так шумно? В НАСА выпустили коллекцию звуков из своего архива на SoundCloud (пока эта коллекция включает в себя довольно много классики из эпохи «Аполлонов»). Также в ней представлены некоторые новые и восхитительно странные звуки, зафиксированные на самых далёких рубежах. Вы можете прослушать некоторые из наших любимых треков прямо здесь, ниже,… Читать далее…
Так как Луна рядом и до неё относительно легко добраться, то она, вероятно, станет первой остановкой будущих космических туристов. Что ж, на Луне немало природных чудес, которых нет ни на Земле, ни на других планетах Солнечной системы. 1. Кратер Пири На Луне есть небольшой кратер под названием Пири, и находится он непосредственно на северном полюсе. Так что вполне логично, что его назвали в честь Роберта Пири, исследователя Арктики, который первым добрался до Северного полюса на Земле.… Читать далее…
С самого начала освоения космоса люди отправляют в него разные вещи. Сначала это были журналы и талисманы, прихваченные первыми астронавтами, но к настоящему времени к звёздам поднималось уже великое множество самых неожиданных предметов. 1. Гамбургер В 2012-м году пять студентов Гарварда запустили несвежий гамбургер на высоту 30 000 метров. Он вернулся на Землю и приземлился на высокое дерево в 210-ти км от места запуска. Студенты пытались сбить гамбургер вниз с помощью выстрела из лука, но не смогли, поэтому им пришлось дождаться грозы,… Читать далее…
В северных морях Титана, крупнейшего спутника Сатурна, есть остров, который уже на протяжении некоторого времени удивляет учёных. Однажды он появился, потом внезапно исчез, и ба-бах — и изменился вновь. Эта штука — чем бы она ни была — очевидно эволюционирует. Космический аппарат НАСА «Кассини» следит за развитием таинственного образования, которое находится в большом углеводородном море Титана. Этот остров занимает площадь около 260-ти км2 в море Лигейя, одном из самых больших морей Титана. К настоящему времени… Читать далее…
Новая химическая модель ранней Солнечной системы обнаружила, что почти половина всей воды на Земле появилась из межзвёздного льда, когда образовалось Солнце. Это означает, что влага в нашей Солнечной системе появилась не из-за локальных условий в протопланетарном диске, а скорее является регулярным признаком формирования планет. Это порождает надежду, что во Вселенной кроме нас может существовать жизнь. Чтобы определить возраст воды в Солнечной системе, исследователи сосредоточились на изучении водорода в дейтерии, известном… Читать далее…
После получения рекордных 1700 заявок на участие в ежегодном конкурсе «Астрономическая фотография года» Королевская обсерватория, наконец, объявила победителей. Без сомнения, это лишь малая часть всех впечатляющих космических фотографий, попавших на конкурс. 1. Северное сияние над замёрзшей лагуной, Джеймс Вуденд, Великобритания Победитель в номинации «Земля и космос» Бледно-зелёное свечение северного сияния происходит от воздействия на атомы кислорода высоко в атмосфере субатомных частиц, выброшенных Солнцем. Эти частицы притягиваются к северному и южному… Читать далее…
Добыча металлов в космосе
После покорения бескрайнего космоса, развитие технологий вышло на совершенно новый уровень. Инвестиции позволили построить первые станции, специализирующиеся на выработке металлов, прямо на поверхности астероидов.
Станции превратились в небольшие, так называемые, заводы полностью автоматизированные. Они не перерабатывали полученные компоненты на ходу, зато сортировали материалы, по мере их ценности, пригодности для дальнейшего использования. Такое решение было вполне разумным, ведь переработку могли обеспечить и более простые технологии, широко распространенные на планете.
Робототехника должна была развиваться быстрее, чтобы успеть за другими космическими изобретениями. Здесь помогли идеи, построенные на уже существующих современных гаджетах. Поэтому роботы отличались плавностью движений, полностью контролируемым интерфейсом и множеством других преимуществ.
Доставка ресурсов на нашу планету так же упростилась. Подтверждением чему выступают последние экспедиции. Результатом стали полученные металлы. Они достались учёным цельными, практически не повреждёнными, даже при добычи образцы большинства, важных для развития металлургии в целом, металлов.
Астероиды – источник для добычи металлов!
Учёные всерьёз задумались о том, чтобы наладить добычу полезных ископаемых. Это удобнее всего сделать ближе к источнику, то есть прямо на поверхности астероидов.
Освоение астероидов, с последующими возможностями для организации эффективной работы по их выработке – главная задача современного производства. Подобные проекты обеспечат получение ресурсов различного спектра и назначения. Существует специальное название – промышленное освоение, характеризующее сам процесс получения пользы от изучения ещё неизведанных объектов, находящихся в космосе.
Не только астероиды пригодны для выполнения всех необходимых работ по добыче металлов и других подобных им веществ. В относительной близости к Земле находятся, буквально, миллионы космических объектов. А, если учесть большие по протяжённости пояса астероидов, запаса веществ на нашей планете хватит на несколько сотен лет. Некоторые космические тела так же пригодны для проведения добычи металлов, без нанесения вреда самим источникам полезных минералов и веществ.
Такие дорогостоящие металлы, как титан и никель, образуются естественным путём на благоприятных для этого участках земной поверхности. Космос не стал исключением, подарив учёным новые возможности для работы.
Зачастую, среди разнообразия материалов, которые можно найти в породах астероидов, встречается и железо. С одной стороны, его в достаточно большом количестве можно найти на нашей планете.
Но любые разновидности полезных ископаемых, даже самые распространенные на Земле, представляют собой основу для развития промышленностей на уровне государственного устройства. Но такие источники не вечны, поэтому уже сейчас следует задуматься о нахождении новых и альтернативных возможностей для добычи ресурсов. В этом плане космос безграничен:
- для исследователей, проводящих пробы пород, с целью обнаружения богатых металлами мест.
- в плане освоения неизученных ранее свойств элементов,
- как вспомогательный элемент для производства.
Некоторые учёные даже сделали предположение о пользе изучения астероидов с точки зрения их состава. Утверждают, что астероиды содержат в себе все необходимые элементы, которые могут поспособствовать даже получению воды и кислорода.
Так же, смеси веществ, присутствующие в составе породы астероида, насыщены компонентами, из которых можно добыть даже водород. А это уже серьёзное подспорье, ведь этот компонент является основным "ингредиентом" ракетного топлива.
Но данная индустрия всё ещё является молодой, до конца неизученной отраслью. Налаживание производства подобного уровня, нуждается:
- в дополнительных инвестициях,
- грамотных вложениях денежных средств, непосредственно в производство новых технологий,
- привлечении помощи других отраслей, специализирующихся на дальнейшей переработке металлов.
Грамотно построенная работа, которая будет налажена на всех последующих уровнях производства, сократит дополнительные расходы, например, на топливо для ракет, или зарядку роботов, увеличив тем самым общий доход.
Астероиды – кладезь редких металлов!
Ценовая политика таких проектов приобретает просто нереальный размах. Один астероид, даже сравнительно небольшой по своим размерам, - просто находка для современных технологов и учённых. Роботы могут, в некоторых случаях даже определить, какой слой породы отделяет их от желаемой находки.
Суммы, и в приблизительных подсчётах исчисляются в триллионах. Поэтому все затраты, безусловно, себя оправдают, причём в несколько раз. Прибыль, полученная от произведённых работ по добыче металлов, уходит на их дальнейшую обработку.
Большинство элементов, представлены в чистом виде. Но для некоторых понадобится участие вспомогательных растворов и смесей, преобразующих веществ к нужному состоянию. Трудно поверить, но такой драгоценный металл, как золото, присутствует в достаточном для добычи количестве.
Не знают, что большая часть золота, присутствующая в верхних слоях Земли, является своеобразными следами, когда-то упавших астероидов. Со временем планета и климатические условия на них менялась, преобразовывалась почва, а остатки астероидов смогли сохранить ценные, заключённые в них металлы.
Астероидные дожди поспособствовали тому, что тяжёлые вещества, в том числе металлы, подчинились силе гравитации, опустившись ближе к ядру планеты. Их выработка стала затруднительной. И вместо этого, учёные предположили, что целесообразнее всего вкладывать деньги в работу с астероидами, подобно тому, как ведётся добыча на Земле.
Будущее технологий за космосом!
Эволюция привела человека к пику своего развития, подарив ему множество различных изобретений. Но, тема космоса всё ещё остаётся не до конца раскрытой. Представьте себе, сколько потребуется вложить денежных средств, чтобы наладить работу по добыче на поверхности самого астероида.
Ещё одним фактором, из-за которого этот проект долго оставался в теории, стала проблема, возникающая с доставкой груза с металлами обратно на Землю. Подобная процедура могла занимать столько времени, что даже сама выработка стала бы не актуальной и очень дорогой. Но учёные нашли выход и из подобной ситуации. Были собраны специализированные роботы. При помощи механических действий человека, непосредственно подключённое к системе рота, он может направлять его движения, не испортив ценных образцов уже добытых материалов.
У робота в строении предусмотрен отсек, куда и помещаются собранные образцы. Далее они отправятся на Землю, где учёные проведут ряд тестирований, доказывающих ценность данного астероида на предмет содержания в нём полезных веществ.
Такая предварительная проверка необходима ещё и для большей уверенности в том, что работы по выработке металлов действительно нужны. Ведь в подобных отраслях всегда замешено колоссальное количество денежных средств.
Технологии будущего из прошлого!
Даже далёкий от науки человек понимает – ресурсы нашей планеты не бесконечны. А искать на Земле альтернативу существующим полезным веществам, а так же ископаемым, просто негде.
Современный мир, именно поэтому развивается стихийно, и вместе с тем сохраняет спокойный и размеренный темп человеческой жизни. Каждый эксперимент – отражение сущности учёного, его гениальных трудов, первых удачных экспериментов.
Но вспомним, как начиналась космическая лихорадка. Генератором идей стало произведение одного, очень известного в своё время фантаста. Тогда это казалось простой выдумкой, – сейчас стало вполне обыденной реальностью, привлекающей пристальное внимание учёных, стремящихся довести свои теоретические идеи до практического применения, приносящего пользу человечеству.
Технологии являются дорогостоящими, не просто найти достойных инвесторов, готовых рискнуть многим, ради положительного результата. Но проекты будущего необходимо развивать и внедрять в производство уже сейчас.
Чтобы не говорили учёные, но время полноценной добычи редких, дорогостоящих металлов прямо из космических просторов уже пришло.
Инновации требуют:
- проверки временем,
- грамотной организации производства,
- изучения возможностей смежных отраслей, которые могут взаимовыгодно сотрудничать между собой.
Без вложений не будет отдачи, даже на минимальном уровне следует организация самого процесса работы и только потом – полученный результат, на который вы надеялись.
Как появились астероиды?
Если учёные смогут определить благоприятные условия, при которых образуются астероиды, то такие полезные источники можно будет создавать искусственным путём с помощью лабораторий, или, непосредственно в просторах космоса. Известно, что астероиды – это первоначальный материал, оставшийся после того, как наша Солнечная система была образована. Они распространены повсюду. Некоторые астероиды пролетают на очень близком расстоянии к Солнцу, другие курсируют по одним орбитам, образуя целые пояса астероидов. Между Юпитером, и расположенным в относительной близости к нему Марсом, присутствует наибольшее скопление астероидов.
Они представляют собой очень большую в плане ресурсов, ценность. Изучение астероидов с различной точки зрения, позволит проанализировать их структуру, поспособствует:
- созданию базы для дальнейшего изучения космоса,
- привлечению новых инвестиций в данную отрасль,
- разработку специализированного оборудования, которое смогло бы работать в самых различных условиях.
Заниматься добычей металлов на астероидах значительно проще, ведь они распределены по всей поверхности космического объекта. Концентрация даже самых драгоценных и дорогих металлов равна той, которая представлена на Земле только в богатых месторождениях. Интерес к подобным видам работ, из-за их востребованности, возрастает с каждым днём.
Космонавты смогли сделать невозможный технологический прорыв в области технологических возможностей. Первые, взятые на поверхности астероидов образцы:
- дали учёным общее представление о структуре астероидов,
- помогли сделать их выработку более быстрой,
- определили новые источники для получения металлов.
В ближайшем будущем технологии подобного уровня займут основное место среди производства. Если представить, даже чисто теоретически, что запасы астероидов безграничны, – то они могут поддерживать экономику целой планеты, позволяя ей развиваться в несколько раз быстрее.
Казалось бы, к чему ещё стремиться, когда человек покорил космические просторы? Но на практике, ещё далеко не все полезные свойства астероидов и других объектов, присутствующих в космосе, изучены полностью. То есть, можно будет наладить безотходное производство. Каждый элемент данной цепочки – не существует без влияния на него предыдущего. Особенно такой подход актуален, когда мы имеем дело с металлами. Их структура достаточно прочная, но если не придерживаться правильных условий для их добычи и эксплуатации, – ценный природный ресурс может испортиться.
Металлы из космоса – обыденная реальность нашего времени. Планируются новые проекты, основой которых станет получение воды и кислорода – жизненно необходимых нам компонентов.
Сюжеты по теме
Площадь Мирового океана почти в два раза больше земной суши. Нетрудно догадаться, сколько разнообразных полезных ископаемых кроется под дном океанов и морей. Учитывая тот факт, что многие крупные месторождения на суше уже давно разведаны, а некоторые из них практически полностью истощены, ученые все чаще и чаще стали задумываться о разработке соответствующих технологий по добыче минералов с морского дна. Речь идет о металлах, фосфатах, а также и гидратах для получения энергии.
Микроэлектроника для космоса и военных
Возможное, многие из вас думали после ситуации с Фобос-Грунтом — что такого особенного в микросхемах для космоса и почему они столько стоят? Почему нельзя поставить защиту от космического излучения? Что там за история с арестом людей, которые микросхемы экспортировали из США в Россию? Где все полимеры?
На эти вопросы я и попробую ответить в этой статье.
Дополнительные требования к космическим и военными микросхемам
В первую очередь — повышенные требования к надежности (как самого кристалла, так и корпуса), устойчивости к вибрации и перегрузкам, влажности, температурный диапазон — существенно шире, т.к. военная техника и в -40С должна работать, и при нагреве до 100С.
Затем — стойкость к поражающим факторам ядерного взрыва — ЭМИ, большой мгновенной дозе гамма/нейтронного излучения. Нормальная работа в момент взрыва может быть невозможна, но по крайней мере прибор не должен необратимо выйти из строя.
И наконец — если микросхема для космоса — стабильность параметров по мере медленного набора суммарной дозы облучения и выживание после встречи с тяжелым заряженным частицами космической радиации (об этом подробнее ниже).
Почему военные любят металлокерамические корпуса?
Использование импортных микросхем требует индивидуального разрешения (с соответствующей формальной бюрократией о том, что отечественных аналогов нет, но как появятся — обязательно будем их использовать).
Как же влияет радиация на микросхемы
В «штуках частиц» космическое излучение состоит на 90% из протонов (т.е. ионов Водорода), на 7% из ядер гелия (альфа-частиц), ~1% более тяжелые атомы и ~1% электроны. Ну и звезды (включая солнце), ядра галактик, млечный путь — обильно освещают все не только видимым светом, но и рентгеновским и гамма излучением. Во время вспышек на солнце — радиация от солнца увеличивается в 1000-1'000'000 раз, что может быть серьёзной проблемой (как для людей будущего, так и нынешних космических аппаратов за пределами магнитосферы земли).
Нейтронов в космическом излучении нет по очевидной причине — свободные нейтроны имеют период полураспада 611 секунд, и превращаются в протоны. Даже от солнца нейтрону не долететь, разве что с совсем уж релятивистской скоростью. Небольшое количество нейтронов прилетает с земли, но это мелочи.
Вокруг земли есть 2 пояса заряженных частиц — так называемые радиационные пояса Ван Аллена: на высоте ~4000 км из протонов, и на высоте ~17 000 км из электронов. Частицы там движутся по замкнутым орбитам, захваченные магнитным полем земли. Также есть бразильская магнитная аномалия — где внутренний радиационный пояс ближе подходит к земле, до высоты 200км.
Электроны, гамма и рентгеновское излучение
Когда гамма и рентгеновское излучение (в том числе вторичное, полученное из-за столкновения электронов с корпусом аппарата) проходит через микросхему — в подзатворном диэлектрике транзисторов начинает постепенно накапливаться заряд, и соответственно начинают медленно изменятся параметры транзисторов — пороговое напряжение транзисторов и ток утечки. Обычная гражданская цифровая микросхема уже после 5000 рад может перестать нормально работать (впрочем, человек может перестать работать уже после 500-1000 рад).
Помимо этого, гамма и рентгеновское излучение заставляет все pn переходы внутри микросхемы работать как маленькие «солнечные батареи» — и если в космосе обычно радиация недостаточна, чтобы это сильно повлияло на работу микросхемы, во время ядерного взрыва потока гамма и рентгеновского излучения уже может быть достаточно, чтобы нарушить работу микросхемы за счет фотоэффекта.
Затем — флеш/EEPROM память. Кто-то может еще помнить старые микросхемы памяти с ультрафиолетовым стиранием:
Чтобы снизить стоимость, выпускалась и версия без кварцевого окна, считавшаяся однократно-программируемой. Но народные умельцы все равно умудрялись её стирать — рентгеновским излучением. Точно такой же эффект есть и в космосе — радиация мееедленно стирает данные в eeprom/flash памяти, поэтому все активно исследуют FRAM/MRAM память для космических применений (у нас этим занимается Интеграл и Ангстрем). Не стирается от радиации также память на пережигаемых и закорачиваемых перемычках — fuse и antifuse, с этим разбирается Микрон. На западе впрочем летают и на дешевой около-гражданской eeprom, и проблем в целом не имеют.
На низкой орбите 300-500км (там где и люди летают) годовая доза может быть 100 рад и менее, соответственно даже за 10 лет набранная доза будет переносима гражданскими микросхемами. А вот на высоких орбитах >1000km годовая доза может быть 10'000-20'000 рад, и обычные микросхемы наберут смертельную дозу за считанные месяцы.
Тяжелые заряженные частицы (ТЗЧ) — протоны, альфа-частицы и ионы больших энергий
Это самая большая проблема космической электроники — ТЗЧ имеют такую высокую энергию, что «пробивают» микросхему насквозь (вместе с корпусом спутника), и оставляют за собой «шлейф» заряда. В лучшем случае это может привести к программной ошибке (0 стать 1 или наоборот — single-event upset, SEU), в худшем — привести к тиристорному защелкиванию (single-event latchup, SEL). У защелкнутого чипа питание закорачивается с землей, ток может идти очень большой, и привести к сгоранию микросхемы. Если питание успеть отключить и подключить до сгорания — то все будет работать как обычно.
Возможно именно это было с Фобос-Грунтом — по официальной версии не-радиационно-стойкие импортные микросхемы памяти дали сбой уже на втором витке, а это возможно только из-за ТЗЧ (по суммарной набранной дозе излучения на низкой орбите гражданский чип мог бы еще долго работать).
Именно защелкивание ограничивает использование обычных наземных микросхем в космосе со всякими программными хитростями для увеличения надежности.
Бороться с защелкиванием можно несколькими способами:
1) Следить за потребляемым током, и быстро передергивать питание
2) Использовать микросхемы на сапфировой подложке (Silicon-on-sapphire, SOS, в более общем виде Silicon-on-insulator, SOI) — это исключает формирование биполярных паразитных транзисторов и соответственно защелкивание. Программные ошибки тем не менее все равно могут быть. Пластины кремний-на-сапфире стоят дорого, обрабатывать их сложно, и они имеют ограниченное применение в гражданском секторе — соответственно производство получается дорогим.
3) Использовать так называемый triple-well процесс — он также очень сильно снижает возможность защелкивания микросхемы за счет дополнительной изоляции транзисторов pn-переходом, но не требует каких-то особенных пластин или оборудования и соответственно само производство намного дешевле кремния на сапфире.
Исторически, в СССР и России больше работали с кремнием на сапфире, а на западе — стараются как можно больше использовать обычный кремний с triple-well (чтобы совмещать с коммерческими продуктами и снижать стоимость), но и SOS/SOI тоже делают по необходимости.
Нейтроны + 10 B
Бор используется для легирования кремния и в виде боросиликатного стекла для изоляции слоев металла. Проблема в том, что природный бор на 20% состоит из Бора-10, который очень хорошо реагирует с нейтронами с выделением альфа-частицы прямо в сердце микросхемы. Это приводило к ошибкам работы микросхем, особенно памяти.
Нейтроны получаются как вторичная радиация, или прилетают от земли, как мы помним в космической радиации их нет.
10 B + n → [ 11 B] → α + 7 Li + 2.31 MeV.
Эта одна из проблем которую удалось решить — используя для производства микросхем только изотоп 11 B. Теперь нейтроны практически беспрепятственно проходят через микросхему, не вызывая ошибок. Это свойство бора кстати используется для экстренной остановки атомных реакторов — в него заливают борную кислоту, обогащенную изотопом 10 B — альфа частицы там не проблема.
Перейдем теперь к паре интересных мифов:
А давайте спутник в радиационную защиту завернем, и гражданские микросхемы поставим
Природа с усмешкой смотрит на игрушечные ускорители элементарных частиц зверолюдей — на большом адронном коллайдере ими были (вернее будут) достигнуты жалкие энергии в 7 TeV для протонов, и 574 TeV для ионов свинца. А с галактическими космическими лучами к нам иногда прилетают частицы с энергией 3*10 20 eV, т.е. 300000000 TeV. Откуда берутся такие частицы еще вопрос, т.к. это выше теоретического предела энергии космических частиц Грайзена — Зацепина — Кузьмина. В человеко-понятных единицах, это около 50Дж, т.е. в одной элементарной частице энергия как у пули мелкокалиберного спортивного пистолета.
Когда такая частица сталкивается например с атомом свинца радиационной защиты — она просто разрывает его в клочья. Осколки также будут иметь гигантскую энергию, и также будут разрывать в клочья все на своём пути. В конечном итоге — чем толще защита из тяжелых элементов — тем больше осколков и вторичной радиации мы получим. Свинцом можно сильно ослабить только относительно мягкую радиацию земных ядерных реакторов.
Аналогичным эффектом обладает и гамма-излучение высоких энергий — оно также способно разрывать тяжелые атомы в клочья за счет фотоядерной реакции.
И наконец, давайте взглянем на конструкцию рентгеновской трубки:
Электроны от катода летят в сторону анода из тяжелого металла, и при столкновении с ним — генерируется рентгеновское излучение за счет тормозного излучения. Когда электрон космического излучения прилетит к нашему кораблю — то наша радиационная защита и превратится в такую-вот естественную рентгеновскую трубку, рядом с нашими нежными микросхемами.
Из-за всех этих проблем радиационную защиту из тяжелых элементов, как на земле — в космосе не используют. Используют защиту большей частью состоящую из алюминия, водорода (из различных полиэтиленов и проч), т.к. его разбить можно только на субатомные частицы — а это намного сложнее, и такая защита генерирует меньше вторичной радиации.
Но в любом случае, от ТЗЧ защиты нет, более того — чем больше защиты — тем больше вторичной радиации от высокоэнергетических частиц, оптимальная толщина получается порядка 2-3мм Алюминия. Самое сложное что есть — это комбинация защиты из водорода, и чуть более тяжелых элементов (т.н. Graded-Z) — но это не сильно лучше чисто «водородной» защиты. В целом, космическую радиацию можно ослабить примерно в 10 раз, и на этом все.
Еще один миф — современные тех.процессы менее радиационно-стойкие
Шанс получить ошибку в конкретном транзисторе пропорционален его объему, а он быстро уменьшается с уменьшением технологии (т.к. транзисторы становятся не только меньше по площади, но и тоньше). Помимо этого, отмечено аномальное увеличение радиационной стойкости с современными толщинами подзатворных диэлектриков (3нм и менее).
В целом, на современных стойких тех.процессах (65нм и менее) рутинно получаются микросхемы выдерживающие дозу облучения в 1млн рад, что превышает все разумные требования по стойкости. Стойкость к защелкиванию и программным ошибкам — достигается за счет triple-well и специальных архитектурных решений.
О soft-ошибках (single-event upset)
Т.е. когда из-за ТЗЧ у нас произошло искажение содержимого памяти или логика сработала неправильно.
Бороться с этим остается только архитектурными способами — мажоритарной логикой (когда мы соединяем по 3 копии каждого нужного нам блока на некотором расстоянии друг от друга — тогда 2 правильных ответа «пересилят» один неправильный, использованием более стойких к ошибкам ячеек памяти (из 10 транзисторов, вместо обычных 6), использованием кодов коррекции ошибок в памяти, кеше и регистрах, и многим другим.
Но полностью от ошибок избавиться невозможно — нам ведь может повезти и ТЗЧ (вернее целый веер вторичных частиц) пройдет точно вдоль чипа, и чуть ли не 5% чипа могут сработать с ошибкой… Тут и нужна высоконадежная система из нескольких независимых компьютеров, и правильное их программирование.
Как разрабатывают космические и военные микросхемы
Из предыдущей статьи мы уже знаем, что микросхемы не растут на деревьях, разрабатывать их долго и дорого. Это в полной мере относится и к военным и космическим микросхемам. Ситуация тут однако усугубляется мелкосерийностью — и по своей инициативе что-либо разрабатывать заводу становится крайне сложно: потратить условно 1млн$ на разработку, а покупателям нужно всего 10 микросхем. За сколько их нужно продавать? 100'000$? 200'000$?
Поэтому государство финансирует ОКР на разработку нужных промышленности микросхем, и этих ОКР тьма тьмущая. Для примера можно глянуть на список ОКР одного Интеграла (там кстати и мелкие FPGA уже есть). Именно так появился и отечественный ARM — Миландр выполняя ОКР купил лицензию на Cortex-M3, cделал микроконтроллер для военных и произвел в нужном количестве, а затем — выпустил его и в гражданском варианте (и пластиковом корпусе), по конкурентоспособной цене.
Конечно, не все можно разработать с разумными затратами. Одно из больных мест — большие FPGA. Сама микросхема FPGA — не сложная в разработке, но вот софт для синтеза может быть очень сложным. В таких случаях может быть выгодным приобретение импортных микросхем в виде пластин с большим запасом, их тестирование и корпусировка. Вероятно так и появились отечественные FPGA 5576ХС4Т и 5576ХС3Т — которые программно совместимы с Altera но имеют отличающуюся распиновку.
В общем, сейчас российская электронная промышленность может разработать и произвести любую военную и космическую микроэлектронику (особенно после приобретения нового оборудования Микроном в 2007 и 2011 годах), но для этого кто-то должен эту разработку заказать и профинансировать с учетом срока разработки и изготовления в несколько лет. Или напрямую, или через государственную ОКР. Так что если вы слышите в интервью какого-нибудь руководителя слова «Вот, плохая отсталая отечественная промышленность не делает нам нужные микросхемы» это нужно понимать как «Мне лень профинансировать или выбить финансирование на создание всех нужных микросхем».
Но конечно много техники, сделанной 5-15 лет назад построены на импортных ключевых компонентах — это результат наших потерянных 90-х, когда в микроэлектронике все было совсем печально (впрочем, как и везде в то время). Вынужденное использование импортных компонент в 90-е и начале 2000-х — это конечно плохо и опасно, но выбор стоял простой- или делаем на импорте, или не делаем вообще. Последние годы за исправление ситуации с отечественной военной электроникой похоже взялись как следует, и находить оправдания для использования импортных компонент будет все сложнее.
И нужно помнить, что война — выигрывается в первую очередь на экономическом фронте. Кто эффективнее тратит ресурсы — тот и побеждает. Потому сложно упрекать оборонку в том, что мы не разрабатываем «для себя» абсолютно все, что разрабатывает весь западный мир вместе взятый — везде нужны компромиссы.
Аналогичные проблемы с военной электроникой есть и на западе — там тоже военные микросхемы стоят дорого из-за мелкосерийности (например RAD750 — 200 тыс $), и не от хорошей жизни был недавний скандал о массовых поставках поддельных микросхем для военной техники.
О «закладках»
Очень часто приходится слышать о «закладках» — магической кнопке, которой можно выключить импортные микросхемы. Конечно, все не так просто — от внешних радиосигналов электронка все равно защищена, и сигнал еще нужно умудриться подать.
Но вот что возможно — это снизить надежность поставляемых нам микросхем. Как известно, надежность — уже лет 10 как является результатом компромисса со скоростью и тепловыделением. И пути повышения и снижения надежности очень хорошо изучены: достаточно например не добавлять 1% меди в алюминиевые соединения, или отжигать микросхему не в дейтерии, а в водороде — и срок службы сократиться в 10 раз. Обнаружит ли это тестирование — еще вопрос.
Кроме того, использование импортных компонент в ключевых системах — это зависимость, которая может дорого стоить (и уже обходится дорого, т.к. покупать такие компоненты приходится с запасом). Ну и покупая микросхемы за рубежом — мы помогаем иностранным предприятиям решить их проблемы с мелкосерийностью
Некоторая опасность есть и в изготовлении микросхем на отечественных заводах, в случае если маски изготовляются за рубежом — мало того, что их теоретически можно скопировать и изучить, маски можно и модифицировать — компании вроде Chipworks вполне способны на это (например можно снизить надежность, нарушив работу мажоритарной логики или повредив работу структур коррекции ошибок). Обнаружить такие модификации будет очень сложно — не уверен, что готовые маски досконально сверяют с их электронным оригиналом.
Что за история с арестом людей, продававших микросхемы из США в Россию?
Сам по себе экспорт из США даже микросхем класса Military/Space не является проблемой — это может делаться вполне легально при прохождении соответствующей бюрократии. Проблемой является предоставление подложных документов о конечном использовании, чтобы избежать лишних сложностей по получению необходимых разрешений.
Список микросхем (стр 20, вероятно неполный, как минимум пара пунктов в начале списка отсутствуют) вызвал у всех недоумение — космических там не было, из самого крутого — EV10AQ190CTPY — Quad 10-bit 1.25 Gsps ADC.
Но самое главное в этой истории то, что за всеми этими товарищами и фирмами следили с самого начала — вся переписка, разговоры и проч. Соответственно, читаем предыдущий раздел статьи о «закладках» и возможном снижении надежности.
Резюме
Использование гражданских микросхем в космосе ограничено эффектом защелкивания, и возможно в лучшем случае на низких орбитах. На высоких орбитах и в дальнем космосе — нужны специальные радиационно-стойкие микросхемы, т.к. там мы лишены защиты магнитного поля земли, а от высокоэнергетических частиц космической радиации не спасет и метр свинца.
В импортных микросхемах «закладки» с дистанционным отключением сделать малореально, а вот снизить надежность и срок службы вполне возможно.
После темного десятилетия 90-х, в последнее годы начали наконец появляться относительно сложные отечественные микросхемы — микроконтроллеры, FPGA (мелкие — свои, крупные — из импортных пластин со своей корпусировкой и тестированием), процессоры (Комдив-ы, Эльбрус, МЦСТ R500, Миландровские ARM-ы). Ведется работа по условно «прорывным» технологиям военного назначения (рад.стойкая FRAM).
Так что если не случится конец света в этом году, все меньше военной и космической техники будет выходить с микросхемами «Made in Taiwan» и реже автоматические межпланетные станции будут бороздить просторы океана.
Буду рад услышать об ошибках и дополнениях — они здесь безусловно будут нужны.
Заметка о специфике разработки электроники в космической отрасли
Ведение космических проектов имеет свои особенности, которые зачастую выходят далеко за границы проектирования плат и схем. В обзорной статье автор кратко знакомит читателя с аспектами, характерными для разработки электроники в космической отрасли.
Оловянные усы и защитное покрытие
Начнем с необычного. Автор не сомневается, что всем разработчикам сверхнадежных систем хорошо знакомо явление под названием «оловянные усы» (tin whiskers) — тонкие длинные кристаллы-нити, которые могут вырастать из поверхностей выводов микросхем или припоя.
Пример оловянных усов (tin whiskers)
Растут они довольно быстро, настолько, что спустя месяцы эти усы могут просто замкнуть соседние выводы. Один из вариантов нейтрализации этого процесса — нанесение определенного защитного покрытия, выбор которого нетривиален.
Пример применения защитного покрытия (conformal coating) Процесс нанесения защитного покрытия
В то же самое время стоит отдавать себе отчет в том, что неверный выбор покрытия может не только обесценить попытки предотвращения роста усов, но и серьезно снизить общую надёжность устройства.
Автору как-то довелось анализировать причины неадекватно низких показателей прохождения стресс-тестов одним из устройств-компонентов спутника. Самое удивительное в результатах исследования заключалось в том, что именно покрытие, призванное предотвратить рост усов, приводило к раннему отказу из-за механических повреждений при термоциклировании: этого дизайнеры устройста представить себе никак не могли, хотя, разумеется, явление не ново и хорошо описано в литературе.
Механические нагрузки
А вот другой пример: во время запуска носителя электроника подвергается серьезному механическому стрессу из-за вибраций и шоков, и одна из задач инженера – предусмотреть области на плате для подклейки тяжелых компонентов.
Применение клея по периметру BGA микросхемы
Иногда же вовсе вопрос решается полной заливкой компаундом (potting). Помимо повышения устойчивости к механическим нагрузкам, этот прием позволяет помочь отъему тепла от греющихся компонентов и равномерно распределить энергию по объему компаунда.
Полная заливка модуля
Температура в космосе
С температурой не всё так однозначно, потому что многие факторы играют роль: локация узла в пределах спутника, орбита, инсоляция, ориентация спутника. Если мы говорим об аппарате на LEO (Low Earth Orbit), сам блок стоит внутри аппарата, а система термоконтроля и термобаланса адекватна задаче, то температура большую часть времени будет в среднем держаться в районе 15°C. При уходе спутника в тень Земли на 30 минут она может падать до 5°C-10°C, а потом, при возвращении на освещенную сторону, снова подниматься до 15°C-20°C.
Если мы говорим об устройстве, расположенном на внешней стороне аппарата, например, об антенне SAR (Synthetic-aperture radar), то при повороте в сторону глубокого космоса температура может упасть до -70°C в пределах десятков минут или часов. Это представляет опасность, поскольку речь заходит о предельных значениях не только для automotive grade компонентов (которые часто идут в ход в молодых New Space стартапах), но и вполне себе Military grade, которые сертифицируются до -55°C.
BGA корпуса особенно не любят таких перепадов температуры – чем больше размером корпус, тем больше шансов, что крайние контактные площадки просто оторвёт, или треснут шарики припоя.
Кросс-секция платы и BGA корпуса, демонстрирующая отрыв шара от пада Внутренняя структура CCGA корпусов.
Если говорить более предметно о платах и CADах, то стоит упомянуть, что вся космическая электроника в плане механики — это платы, плотно упакованные в металлический корпус. Иначе нельзя — конвекции в космосе нет, если что-то греется, то это тепло необходимо сбрасывать через термоинтерфейс. При этом корпус должен быть компактен, зачастую иметь специфическую форму, включать в себя множество деталей, разной электроники — словом, тут крайне важна интеграция электронного и машинного проектирования; тут стоят очень серьезные задачи в плане соотнесения 3D компонентов.
Радиация
Вариант взаимодействия излучения с веществом, эффект Комптона
С радиацией всё ещё сложнее: это, например, и фактор поглощенной дозы, и эффекты однократного действия, то есть явления, связанные с высоко энергичными заряженными частицами и их влиянием на электронику. Скажем, пролет заряженной частицы может вызвать сбой в ячейке памяти, когда единственный бит меняется с 0 на 1 и аппарат выдает ложные показания (bit flip). В большинстве случаев ситуация не критична и последствия устраняются перезагрузкой системы. Куда серьезнее, например, защелкивание выходного каскада, когда сквозной ток может выжечь микросхему и привести к катастрофическому отказу оборудования. Тут перезагрузка уже не поможет, а прилететь и починить плату в космосе — понятно — некому.
Пример механизма взаимодействия космической высокоэнергичной частицы с внутренней структурой MOSFET.
Фактор поглощенной дозы по-разному влияет на электронику, изготовленную по технологиям КМОП и БиКМОП. Влияет даже скорость набора – порой быстро накопленная доза менее опасна своими последствиями, чем та же самая доза, накопленная в течение продолжительного времени, а иногда – наоборот. Вообще, на этот счет хочу порекомендовать статьи на Хабре за авторством доки аналогового дизайна радхардных чипов Валерия amartology Шункова.
Эффекты радиации все еще изучаются, поскольку математическое моделирование связанных физических процессов есть задача совершенно нетривиальная, не говоря о сложностях валидации результатов моделирования.
В New Space скорость появления MVP (Minimum Viable Product) критична, и проведение испытаний на радиационную стойкость в специальной лаборатории in vitro может быстро дать оценку того, что ждет устройство в условиях космоса. Опять же, тут нужно определить, что называть радиацией: 5–10 krad — часто современные микросхемы уровня мейнстримовых микроконтроллеров спокойно переживают такую накопленную дозу без значительных последствий, а это уровень набора за несколько месяцев, а иногда пары лет в случае LEO.
Пару слов о New Space. Это новый взгляд на индустрию, который получил толчок к развитию лет десять-пятнадцать назад, и одна из его идей заключается в том, что один дорогой спутник, напичканный радиационно-стойкими компонентами, можно заменять несколькими дешевыми спутниками со сроком службы 3-5 лет. В условиях LEO это действительно работает.
Old Space же — это хорошо известные нам керамические корпуса, радиационная стойкость, поистине космические ценники на каждый элемент конструкции, бесконечное тестирование и работа со статистикой, и так далее — в результате один единственный чип может стоить десятки, а иногда и сотни тысяч долларов. Зачастую трудно сказать, для какой задачи какой подход более оптимален, но можно порадоваться, что обе эти сферы развиваются параллельно, и в итоге займут свой спектр ниш.
Выбор компонентов
Это фантастически обширная область для обсуждения, а полноценное описание возможных failure modes, последствий и важных моментов при выборе компонентов потянет на серьезный труд во много сотен страниц.
Однако же, с чего-то нужно начинать, и, поскольку статья носит ознакомительный характер, то будет справедливо выбрать MLCC в качестве предмета обсуждения, поскольку их можно встретить в любом мыслимом устройстве, а также этот класс компонентов является лидером причин катастрофических отказов в электронных узлах.
Самое опасное явление в MLCC — трещины в диэлектрике. Стоит еще раз оговориться: серьезное обсуждение причин появления трещин и их последствий потянет на отдельную часовую лекцию, поэтому, как самый банальный пример, рассмотрим простейший из механизмов: замыкание проводящих слоёв в толще структуры MLCC из-за трещины, появление которой обусловлено чрезмерным изгибом платы.
Трещина в структуре MLCC ввиду изгиба платы
Проблема известная, и разве что ленивый производитель не описал его в литературе. Особенно остро последствия стоят для автомобильной отрасли, где механические и температурные нагрузки запредельны, жизненный цикл устройства занимает много лет, а отказы оборудования могут приводить к человеческим жертвам.
Простейшие, дешевые и очевидные трюки для снижения вероятности и/или катастрофичности последствий можно подсмотреть как раз в automotive сериях MLCC.
Например, проводится редукция проводящих слоев, что даёт отступ от края терминала — области, где вероятность появления трещин максимальна. Open Mode Design — более-менее общеупотребительный термин для описания подобной техники, идея которой самоочевидна: трещина, возникшая в непосредственной близости к терминалам, не приводит к короткому замыканию.
Из отрицательных последствий применения техники можно упомянуть снижение доступной емкости ввиду уменьшения площади обкладок.
Выбор материалов
С погружением в тему неизбежно приходит понимание того, на сколько важен каждый элемент конструкции, каждая, казалось бы, мелочь. Например, припой, подобранный неадекватно задаче, аукнется падением надежности паянных узлов.
Трещина в паянном узле, вопрочем, полостной дефект наверняка внёс дополнительный вклад :)
А, например, недальновидность и полагание на фаб при выборе материалов для сборки структуры PCB неизбежно приводят к понижению надежности самых уязвимых структур — VIA.
Даже выбор поставщика может быть критически важным: например, ненадлежащие хранение материалов для PCB или же самих готовых устройств может приводить к пренеприятнейшим эффектам, например, к появлению проводящих структур внутри сэндвича печатной платы, известных под названием CAF (conductive anodic filament).
Замыкание соседних via посредством CAF
Некоторое время назад автору довелось столкнуться с подобным явлением в стороннем проекте: спустя полгода после установки, один за другим начали выходить из строя устройства: три из примерно тридцати устройств задорно и весело полыхнули в интервале буквально пары недель. Расследование заняло довольно продолжительное время и указало именно на CAF, как на причину катастрофического отказа.
Прогар в сэндвиче PCB, вызванный CAF: КЗ произошло в толще материала между шиной питания +48V и землей. Выделяющиеся при горении газы распёрли сэндвич платы изнутри, что и обуславливало "вспученность" в области прогара.
А вот так этот прогар выглядел с обратной стороны.
Основная причина для такого развития ситуации по такому пути: недостаточное внимание к выбору материалов/фаба на этапе разработки. О, опыт, сын ошибок трудных.
Моделирование
Разумеется, помимо превентивных мер по повышению надежности огромное внимание отдается моделированию. Считают всё: и температуру, и механически нагрузки, и радиационные эффекты.
Моделирование температурного профиля Моделирование механических нагрузок Еще пример моделирования, сравнение влияния различных конфигураций крепёжных винтов
О моделировании SI/PI даже упоминать не приходится: применение этих практик безусловно для сколь-нибудь серьезных проектов.
Моделирование Signal Integrity Моделирование Power Integrity
Project management, коллектив и инструментарий
Поскольку разработкой электронной начинки спутника занимаются крупные команды, требования, предъявляемые к рабочей среде и менеджменту также высоки.
Важно все: начиная от применяемых инструментов разработки и заканчивая грамнотно укомплектованной командой.
Возьмем, к примеру, такой, казалось бы, малозначительный аспект, как ведение библиотек электронных компонентов: если инструменты ведения базы компонентов не продуманы, а бюджета на полноценного библиотекаря не предусмотрено (кстати, ситуация, часто встречаемая не только в стартапах), то, ввиду влияния человеческого фактора, качество библиотек неизбежно снизится.
Я был свидетелем того, как молодые инженеры вместо создания с нуля сложного футпринта для оптимально подходящего компонента предпочитали “натаскать по чуть-чуть” из старых проектов, лишь бы не связываться с рутиной и неудобными инструментами. Правильный выбор CAD, соответствующего стоящим перед командой задачам и удобного в работе, напротив, помогает избегать серьезных ошибок и формализует грамотный инженерный подход к ведению проекта.
Заключение
Статья носит ознакомительный характер и, в общем-то, является пробой пера: возможно, статья станет первой ласточкой в большом цикле, а, возможно, история закончится ничем. В любом случае, автор будет признателен комментариям и пожеланиям.
Мой канал в Телеграм об интересном из мира электроники Something Interesting in Electronics.
Читайте также: