Einfluss kosmischer Strahlung auf Elektronik in Satelliten und Raumfahrt

Neues Forschungsprojekt von ESA und Fraunhofer-Gesellschaft am Beschleuniger des GSI

Um den Einfluss kosmischer Strahlung auf die Elektronik in Satelliten und in der Raumfahrt zu erforschen, hat die European Space Agency (ESA) ein neues Forschungsprojekt am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt gestartet. Unter Leitung des Fraunhofer-Instituts für Naturwissenschaftlich-Technische Trendanalysen (INT) in Euskirchen bestrahlen Wissenschaftler mikroelektronische Bauelemente an der GSI-Beschleunigeranlage mit Ionen. Die GSI-Beschleunigeranlage ist die einzige in Europa, an der Ionenstrahlung so hergestellt werden kann, wie sie in der kosmischen Strahlung auftritt. Die Ionenstrahlung kann in Mikroelektronik zu Funktionsfehlern oder -ausfällen führen. Ziel des neuen Forschungsprojektes ist es, die Eignung verschiedener Mikrochips für den Einsatz im Weltraum zu testen. Darüber hinaus sollen Grundlagen erforscht werden, um in Zukunft strahlungsfeste, leichtere und kompaktere Elektronik zu entwickeln.

"Wir wollen erstmalig systematisch den Einfluss der Energie der Ionenstrahlen auf deren Wirkung auf Mikroelektronik untersuchen. Die GSI-Beschleunigeranlage bietet dazu optimale Voraussetzungen. Hier können wir hochenergetische Ionen, von den leichtesten bis zu den schwersten Elementen, erzeugen. Damit decken wir das gesamte Spektrum an Ionenstrahlung ab, wie es im Universum permanent auftritt", sagt Stefan Metzger, der Projektleiter vom Fraunhofer-Institut. Neben der fachlichen Expertise unterstützt das INT das Projekt mit spezieller Mess-Infrastruktur, mit der sich Strahlenschäden in elektronischen Bauteilen feststellen lassen.

In einem ersten Experiment haben Wissenschaftler einen von der ESA bereit gestellten Mikrochip mit Gold-Ionen bestrahlt. Die Analyse bestätigte die Vermutung, dass die Störanfälligkeit des Chips stark von der Energie der Ionen abhängt. Für eine genaue Untersuchung sind in den nächsten Jahren weitere systematische Bestrahlungen verschiedener Bauteile unter dem Einfluss unterschiedlicher Ionen und Energien vorgesehen.

"Ionenstrahlen machen einen Großteil der kosmischen Strahlung aus und haben die größte Wirkung auf die Mikroelektronik. Eine genaue Kenntnis ihrer Wirkung ist die Grundvoraussetzung, um in Zukunft gezielt Elektronik für Raumfahrt optimieren zu können", sagt Marco Durante, Leiter der Abteilung Biophysik am GSI und Kooperationspartner von Stefan Metzger. Bereits ein einzelnes Ion kann in mikroelektronischen Bauteilen Schäden verursachen. Durch die hohe elektrische Ladung und die Energie des Ions können in den Halbleitermaterialen des Mikrochips freie Ladungsträger erzeugt werden. Die unerwünschten Ladungsträger können zu kleinen elektrischen Stromflüssen führen, die Funktionsfehler oder einen Ausfall des Chips verursachen können.

In der Raumfahrttechnik wird die Elektronik derzeit durch Abschirmungen geschützt. Für manche Bauteile wird darüber hinaus Ersatzelektronik mitgeführt. Durch genauere Kenntnis des Einflusses kosmischer Strahlung auf die Funktionsfähigkeit von Mikroelektronik könnte dies vermieden oder zumindest reduziert werden. Dadurch ließe sich Platz und Gewicht sparen und die Lebensdauer der Elektronik erhöhen, alles maßgebende Faktoren in der Raumfahrt.

GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH
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