Strahlungsgehärtete Halbleiter für Weltraumteleskope

Die Infineon Technologies AG und die NASA haben strahlungsgehärtete Leistungshalbleiterkomponenten an Bord des Nancy Grace Roman Space Telescope eingesetzt. Die Hardware-Integration bietet eine kontinuierliche elektrische Stromversorgung für die Verarbeitung großer astrophysikalischer Datenmengen in Deep-Space-Umgebungen.

Umgebungsbedingungen und kooperative Rollen
Das Nancy Grace Roman Space Telescope benötigt eine stabile Stromversorgung, um täglich etwa 1,4 Terabyte an wissenschaftlichen Rohdaten an Bodenstationen in New Mexico, Australien und Japan zu übertragen. Das Observatorium, das am zweiten Lagrange-Punkt (L2) des Sonne-Erde-Systems in 1,5 Millionen Kilometern Entfernung zur Erde operiert, ist außerhalb des schützenden Erdmagnetfelds einer Umgebung mit hochenergetischen Partikeln ausgesetzt. Da eine physische Wartung in dieser orbitalen Entfernung unmöglich ist, benötigte die NASA Luft- und Raumfahrt-Stromversorgungssysteme, die in der Lage sind, einen kontinuierlichen Betrieb über eine Missionsdauer von zehn Jahren aufrechtzuerhalten. Infineon lieferte die hochzuverlässige Power-Management-Hardware, um dieser Strahlungsumgebung standzuhalten.

Technische Lösung und Systemarchitektur
Die integrierte Lösung nutzt eine Halbleiterarchitektur, die speziell dafür entwickelt wurde, strahlungsbedingter Degradation auf Komponentenebene zu widerstehen, anstatt sich auf eine passive physische Abschirmung zu verlassen. Die elektrische Infrastruktur umfasst strahlungsgehärtete Silizium-Leistungs-MOSFETs, Galliumnitrid (GaN)-Transistoren, Gate-Treiber und Halbleiterrelais. Diese Komponenten werden hinsichtlich der totalen ionisierenden Dosis (TID) und Einzelereigniseffekten (Single Event Effects, SEE) charakterisiert, um die militärischen Leistungsstandards nach MIL-PRF zu erfüllen. Insbesondere verwendet das System einen JANS-qualifizierten 100-V-GaN-Transistor, der nach MIL-PRF-19500-Spezifikationen getestet wurde und im Vergleich zu herkömmlichen Siliziumalternativen höhere Schaltfrequenzen sowie eine erhöhte Leistungsdichte ermöglicht.

Bereitstellung und Hardware-Integration
Die Hardware wurde an Bord des Observatoriums vom Kennedy Space Center in Florida ins All gestartet und befindet sich auf dem Weg zur orbitalen Position L2. Infineon leitete die interne Fertigung und die grundlegenden Strahlungstests der Halbleiter vor deren Integration in die Energieverteilungsmatrix des Teleskops. Während der Betriebsphase regulieren diese Geräte den Dauerstrom, der von den primären wissenschaftlichen Instrumenten und Telemetriesystemen des Teleskops benötigt wird.

Anwendungen und erwartete operative Auswirkungen
Bei Anwendungen für Weltraumobservatorien ist die Minimierung der Masse des Raumfahrzeugs eine zentrale technische Herausforderung. Der Einsatz von GaN-basierter Halbleitertechnologie reduziert elektrische Schaltverluste und verringert die erforderliche Größe der zugehörigen magnetischen Komponenten. Dieser Mechanismus liefert messbare Volumen- und Gewichtseinsparungen auf Systemebene. In Bezug auf die Betriebsparameter merkte Mike Mills, Senior Vice President und General Manager HiRel bei Infineon, an: „Roman wird bis zu einem Jahrzehnt lang ohne die Möglichkeit einer Wartung oder Instandhaltung am Punkt L2 operieren. In dieser Entfernung und in dieser Strahlungsumgebung muss die Energietechnik vom ersten Tag an einwandfrei funktionieren und dies auch weiterhin tun.“

Bearbeitet von Aishwarya Mambet, Induportals-Redakteurin, mit Unterstützung von KI.

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