Missioni di esplorazione spaziale criogenica

La temperatura nello spazio è molto bassa, - 240 gradi Celsius nell’orbita di Plutone, - 125 gradi Celsius su Marte e - 50 gradi Celsius a un’altitudine di 570 km sopra la Terra, dove si trova attualmente il telescopio Hubble. A temperature così basse, l’elettronica tradizionale è inutile.

Per permettere l’uso dell’elettronica tradizionale nello spazio, un’aggiunta proposta sarebbe una fonte di calore per mantenere i dispositivi a una temperatura più elevata di quella circostante. Tuttavia, questo non sembra praticabile, in quanto sarebbe necessaria più energia per far funzionare le fonti di calore. I dispositivi elettronici risulterebbero pesanti, ingombranti e complessi.

Nell’ambito del progetto CESAR (“Cryogenic electronics for space applications and research”), finanziato dall’UE, i ricercatori hanno introdotto una tecnologia chiamata crioelettronica. Con una maggiore conduttività termica ed elettrica, minore energia di funzionamento e migliori prestazioni in generale, la crioelettronica costituisce una soluzione migliore per le missioni nello spazio profondo.

I magnetometri moderatamente raffreddati (che misurano i campi magnetici) possono fornire una sensibilità molto alta per l’esplorazione dello spazio. I rilevatori a raggi X possono raggiungere una risoluzione spettrale migliore di due ordini di magnitudine rispetto a quelli a silicio (Si). Nel campo degli infrarossi, le osservazioni con i bolometri (che misurano la radiazione elettromagnetica) sono limitate solo dal background del fotone della luce zodiacale.

L’uso di questi nuovi rilevatori basati sulla crioelettronica era ostacolato dalla disponibilità limitata di energia. Le riserve di energia si consumerebbero soprattutto per trasportare i segnali registrati ai componenti elettronici distanti più caldi per l’elaborazione. I ricercatori di CESAR hanno raccolto la sfida di progettare un’elettronica in grado di funzionare il più vicino possibile ai rilevatori, e ci sono riusciti.

Rendendosi conto che i componenti crioelettronici esistenti dovevano ancora essere verificati e non esisteva un manuale di istruzioni disponibile, i ricercatori di CESAR hanno testato componenti di serie. In particolare, i transistor basati sul Si germanium hanno dimostrato di essere migliori dei transistor a base di silicio a una temperatura maggiore di 100 kelvin.

Il passo successivo era determinare come creare concetti di circuiti complessi usando l’attuale tecnologia di semiconduttori complementari metallo-ossido che funziona a basse temperature, fino a 4 kelvin. I circuiti crioelettronici hanno migliorato le prestazioni dei rilevatori perché controllano l’amplificazione e il filtraggio dei segnali registrati e la conversione dei segnali digitali in segnali analogici e viceversa.

Gli ulteriori sviluppi includono la miniaturizzazione, possiblilità di imballaggio e funzionalità estese per la crioelettronica. Il progetto CESAR ha dimostrato come l’esplorazione dei segreti dell’Universo richiede un’ungegneria straordinaria sulla Terra. I risultati sono stati condivisi attraverso il sito web del progetto e una serie di workshop volti a definire le opportunità nella diagnostica medica e nei sistemi di stoccaggio dell’energia magnetici superconduttivi.