Ensayando dispositivos electrónicos de uso espacial en Sevilla

Los entornos de radiación y sus efectos son una preocupación fundamental para el uso de materiales y sistemas electrónicos en aplicaciones espaciales. Los satélites y naves espaciales utilizan multitud de componentes y dispositivos para controlar su navegación o convertir señales medidas por la instrumentación de a bordo en información útil. A la hora de diseñar la tecnología que será utilizada en el espacio es primordial asegurar la resistencia de los materiales y la robustez de circuitos frente a la radiación. Si algo falla, la reparación o sustitución a veces es inviable y las pérdidas pueden llegar a ser muy elevadas.

A lo largo de la vida útil de un sistema en el espacio, éste se verá inmerso en diferentes entornos de radiación, constituido fundamentalmente por electrones, protones y rayos cósmicos. Los componentes electrónicos se ven afectados por la radiación de varias formas, pero podemos destacar las siguientes. La radiación ionizante produce cargas atrapadas en los dieléctricos, que se van acumulando con el tiempo. Este efecto, conocido como TID (Total Ionizing Dose), puede degradar el rendimiento de los dispositivos y eventualmente resultar en la pérdida de funcionalidad. El daño por desplazamiento (DD) es otro efecto acumulativo causado cuando el impacto de partículas cambia la disposición de los átomos en el semiconductor. Los efectos de evento único (Single-Event Effects, SEE) se producen cuando una partícula de alta energía atraviesa un material semiconductor creando una corriente transitoria. Esta corriente transitoria puede resultar en una variedad de efectos que van desde una modificación del estado del circuito (Single-Event Upset, SEU) hasta un daño permanente, como en el caso del Single-Event Latchup (SEL). Todos estos efectos tienen un impacto severo en la confiabilidad de las misiones, ya que pueden provocar un mal funcionamiento, la pérdida temporal de operaciones o incluso la pérdida de la misión.

Asegurar la robustez frente a la radiación mediante pruebas aceleradas es uno de los ensayos más relevantes para calificar una amplia gama de dispositivos y materiales en entornos aeroespaciales y otros entornos hostiles. En estas pruebas o ensayos, un dispositivo recibe, en poco tiempo, una exposición a la radiación equivalente a la que podría recibir en funcionamiento normal en el entorno espacial durante su tiempo de vida útil. Este tiempo y las condiciones dependerán de la funcionalidad y de la misión o proyecto en el que sea embarcado, desde el uso en nanosatélites hasta ser embarcados en misiones exoplanetarias. Además, su buen funcionamiento debe asegurarse bajo choques térmicos, condiciones extremas de temperatura o durante misiones de muy larga duración.

Hoy en día, la mayoría de los componentes espaciales se fabrican con procesos estándar que utilizan técnicas de endurecimiento (Radiation Hardening By Design -RHBD). No obstante, la brecha entre las tecnologías comerciales y las tecnologías espaciales propiamente dichas se está ampliando. Por esta razón, los componentes comerciales listos para usar (COTS) a menudo se consideran una alternativa a los dispositivos reforzados contra la radiación, para satélites de bajo costo o para partes menos críticas de una misión. Extender el uso de dispositivos COTS en el espacio es deseable desde hace mucho tiempo y aún sigue limitado por la necesidad de asegurar su eficacia bajo radiación. Esta necesidad conlleva un importante incremento en la demanda de ensayos de irradiación.

En cualquier caso, todo sistema que se embarque en una misión espacial ha de estar cualificado en base a una serie de normativas, aplicables según tipo de ensayos requeridos para su funcionalidad. El cumplimiento de diferentes normas, pero con criterios muy similares, pueden ser exigidos por las agencias espaciales. En Europa, la Agencia Espacial Europea-ESA se rige por las especificaciones básicas recogidas por la ESCC (European Space Components Coordination).

Dentro del Centro Nacional de Aceleradores – CNA, la Unidad de Irradiación es la que se encarga de coordinar los servicios e investigación relacionada con los ensayos de fiabilidad en dispositivos y materiales susceptibles de ser utilizados en ambientes críticos de radiación, como es el entorno espacial o los experimentos de física nuclear de altas energías. Tres de los laboratorios del CNA han sido mejorados por nuestro grupo para realizar diferentes ensayos de irradiación, habitualmente realizados por empresas privadas y grupos de investigación. Este tipo de ensayos ya sea en modo estático o dinámico, se realizan en RadLab empleando fotones gamma y en los laboratorios de los aceleradores de partículas Tándem 3MV y Ciclotrón; siendo las líneas de trabajo habitual con partículas la línea de irradiación e implantación y la de haz externo del Ciclotrón. Recientemente, nuestro grupo ha implementado la capacidad de realizar pruebas de irradiación combinadas. El ciclo térmico y la irradiación se pueden realizar simultáneamente, de modo que podamos simular condiciones de vuelo más cercanas.

En la última década, nuestro grupo ha liderado tres proyectos de investigación de Plan Nacional relacionados con la puesta en marcha de las instalaciones del CNA para este tipo de actividades. Se engloban dentro de los subsecuentes proyectos coordinados de RENASER, donde participan la Universidad Carlos III de Madrid, la Universidad de Alicante y la ETSI de la Universidad de Sevilla. Por otro lado, se ha trabajado junto a Alter Technology en el proyecto de creación del laboratorio de radiación gamma (RadLab), basado en una fuente de cobalto-60. Primer laboratorio europeo que ha conseguido acreditación ENAC para ensayos no sólo bajo normativa europea ESCC sino también americana DLA.

Actualmente, junto a esta empresa llevamos a cabo uno de los proyectos pertenecientes al Proyecto Ecosistema Innovador con Inteligencia Artificial para Andalucía 2025 liderado por el Campus de Excelencia Internacional Andalucía TECH. Bajo el acrónimo PRECEDER se desarrolla el proyecto de Predicción del Comportamiento Eléctrico de Dispositivos Electrónicos bajo Radiación. El proyecto consiste en preparar una amplia base de datos y desarrollar técnicas de Aprendizaje Automático (‘Machine Learning’ en inglés) sobre un conjunto de resultados, que permitan predecir el comportamiento de otros componentes electrónicos no testeados en base a la experiencia. A mediados de año arranca el proyecto europeo liderado por el CERN, RADNEXT dentro de la convocatoria H2020 INFRAIA-02-2020, donde la Universidad de Sevilla participa con nuestra infraestructura. Esto ampliará la visibilidad del CNA en la comunidad internacional tanto a nivel de instituciones como empresas, lo que supondrá un incremento en nuestros usuarios habituales.

Los entornos de radiación y sus efectos son una preocupación fundamental para el uso de materiales y sistemas electrónicos en aplicaciones espaciales. Los satélites y naves espaciales utilizan multitud de componentes y dispositivos para controlar su navegación o convertir señales medidas por la instrumentación de a bordo en información útil. A la hora de diseñar la tecnología que será utilizada en el espacio es primordial asegurar la resistencia de los materiales y la robustez de circuitos frente a la radiación. Si algo falla, la reparación o sustitución a veces es inviable y las pérdidas pueden llegar a ser muy elevadas.

A lo largo de la vida útil de un sistema en el espacio, éste se verá inmerso en diferentes entornos de radiación, constituido fundamentalmente por electrones, protones y rayos cósmicos. Los componentes electrónicos se ven afectados por la radiación de varias formas, pero podemos destacar las siguientes. La radiación ionizante produce cargas atrapadas en los dieléctricos, que se van acumulando con el tiempo. Este efecto, conocido como TID (Total Ionizing Dose), puede degradar el rendimiento de los dispositivos y eventualmente resultar en la pérdida de funcionalidad. El daño por desplazamiento (DD) es otro efecto acumulativo causado cuando el impacto de partículas cambia la disposición de los átomos en el semiconductor. Los efectos de evento único (Single-Event Effects, SEE) se producen cuando una partícula de alta energía atraviesa un material semiconductor creando una corriente transitoria. Esta corriente transitoria puede resultar en una variedad de efectos que van desde una modificación del estado del circuito (Single-Event Upset, SEU) hasta un daño permanente, como en el caso del Single-Event Latchup (SEL). Todos estos efectos tienen un impacto severo en la confiabilidad de las misiones, ya que pueden provocar un mal funcionamiento, la pérdida temporal de operaciones o incluso la pérdida de la misión.