Un matériau exotique sur le point de devenir le semi-conducteur de choix pour l'électronique de puissance, car il est beaucoup plus efficace que le silicium, est maintenant à l'étude pour des applications potentielles dans l'espace.

Deux équipes de la NASA étudient l'utilisation du nitrure de gallium, un composé semi-conducteur de type cristal découvert pour la première fois dans les années 1980, et actuellement utilisé dans l'électronique grand public comme les diodes laser dans les lecteurs de DVD. Parmi ses nombreux attributs, nitrure de gallium—GaN, pour faire court - démontre moins de résistance électrique et ne perd donc qu'une faible proportion de puissance sous forme de chaleur. Le matériau peut supporter 10 fois le courant électrique du silicium, permettant plus petit, plus rapide, et des appareils plus efficaces. En outre, il est tolérant à une large gamme de températures, résistant aux radiations, et comme il s'avère, apte à détecter les particules énergétiques.

Il n'est donc pas étonnant que les scientifiques et les ingénieurs du Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland, sont intéressés à voir comment ils pourraient exploiter ce matériau polyvalent pour améliorer l'exploration spatiale.

Avec leur financement, l'ingénieur Jean-Marie Lauenstein et la scientifique Elizabeth MacDonald étudient les transistors à haute mobilité électronique au nitrure de gallium, ou des HEMT GaN, pour étudier comment la magnétosphère terrestre se couple à son ionosphère - une question clé dans le domaine de l'héliophysique, qui étudie entre autres les forces qui entraînent le changement dans notre environnement spatial. Stanley Hunter et Georgia de Nolfo, pendant ce temps, étudient l'utilisation du matériau sur un détecteur de neutrons à l'état solide qui est pertinent à la fois pour la science et la sécurité intérieure.

Transistors au nitrure de gallium

Les transistors ou semi-conducteurs au nitrure de gallium sont devenus disponibles dans le commerce en 2010, mais ils n'ont pas encore trouvé leur chemin dans les instruments des scientifiques de l'espace, malgré leur potentiel de réduction de la taille d'un instrument, poids, et la consommation d'énergie. Il y a une raison à cela, dit Lauenstein. Même si le nitrure de gallium devrait être résistant à de nombreux types de dommages causés par les radiations rencontrés dans l'espace, ni la NASA ni l'armée américaine n'ont établi de normes caractérisant les performances de ces dispositifs à transistors lorsqu'ils sont exposés à des radiations extrêmes dans l'espace.

Lorsqu'il est frappé par des rayons cosmiques galactiques ou d'autres particules énergétiques, les équipements électroniques peuvent subir des perturbations catastrophiques ou transitoires à un seul événement. « Nous avons des normes pour le silicium, " Lauenstein a déclaré. "Nous ne savons pas si les méthodes pour les transistors au silicium s'appliqueraient aux transistors au nitrure de gallium. Avec du silicium, nous pouvons évaluer le seuil d'échec."

Avec le financement, Lauenstein et MacDonald font équipe avec le Laboratoire national de Los Alamos au Nouveau-Mexique, un fabricant de pièces, et le NASA Electronic Parts and Packaging pour établir des critères garantissant qu'un appareil de type GaNs pourrait résister aux effets de particules potentiellement nocives produites par les rayons cosmiques galactiques et d'autres sources.

Le matériau pourrait être utile dans les accélérateurs de faisceaux d'électrons - composés de transistors au nitrure de gallium - construits pour cartographier des lignes magnétiques spécifiques dans la magnétosphère protectrice de la Terre à leurs empreintes dans l'ionosphère terrestre où se produisent les aurores - aidant à montrer comment les deux régions de l'espace proche de la Terre relier.

"Les recherches de l'équipe sur la tolérance aux rayonnements nous aident à comprendre comment faire voler ces accélérateurs dans l'environnement spatial difficile tout au long de la durée de vie de la mission, " a déclaré MacDonald.

Selon Lauenstein, ces normes profiteront également à d'autres disciplines scientifiques. "Nous avons besoin d'une voie à suivre pour cette technologie, ", a-t-elle déclaré, "Cela ouvre la porte à d'autres pour intégrer cette technologie dans leurs propres missions."

Potentiellement « changement de jeu »

Pour de Nolfo et Hunter, le nitrure de gallium offre une solution potentielle pour construire un détecteur et imager les neutrons, qui sont de courte durée et expirent généralement après environ 15 minutes. Les neutrons peuvent être générés par des événements énergétiques dans le Soleil ainsi que par des interactions de rayons cosmiques avec la haute atmosphère terrestre. Les neutrons générés par les rayons cosmiques dans l'atmosphère peuvent s'ajouter à la ceinture de rayonnement de la Terre - un échantillon de rayonnement entourant la Terre qui, entre autres, peut interférer avec l'électronique des satellites embarqués - lorsqu'ils se désintègrent. Les chercheurs ont découvert que le GaN peut constituer la base d'un détecteur de neutrons très sensible.

"Le cristal de nitrure de gallium pourrait changer la donne pour nous, " a déclaré de Nolfo.

Sous leur concept, Hunter et de Nolfo placeraient un cristal de nitrure de gallium à l'intérieur d'un instrument. Lorsque les neutrons sont entrés dans le cristal, ils dispersent des atomes de gallium et d'azote et, Dans le processus, exciter d'autres atomes, qui produisent alors un éclair lumineux révélant la position du neutron qui a initié la réaction. Les photomultiplicateurs au silicium attachés au cristal convertissent le flash de lumière en une impulsion électrique qui sera analysée par l'électronique du capteur.

"Le nitrure de gallium est raisonnablement bien compris dans l'industrie photo-électronique, mais je pense qu'on repousse un peu les limites de cette application, " Hunter a dit, ajoutant que la beauté du concept est qu'il ne contiendrait aucune pièce mobile, utiliser peu de puissance, et fonctionne dans le vide. Si ça marche, l'instrument profiterait à différentes disciplines des sciences spatiales et à l'armée pour la détection de matières nucléaires, il ajouta.