Väitös 17.11.: Kaupallisten komponenttien käyttö satelliiteissa ei ole ongelmatonta – säteilynkeston turvaamiseen tarvitaan uusia menetelmiä (Coronetti)

Nykyiset säteilynkeston varmennuskäytännöt eivät ota huomioon kaikkia säteilyilmiöiden ja valmistustekniikoiden luomia haasteita uusissa teknologioissa. Yksi niistä on matalaenergisten protonien aiheuttamien säteilyilmiöiden vaikutus avaruusjärjestelmien luotettavuuteen. Toinen on vaihtoehtoisten lähestymistapojen käyttö kokonaisten järjestelmien testaamisessa sen sijaan, että testattaisiin perinteiseen tapaan yksittäisiä komponentteja.

Kaupallisten elektroniikkakomponenttien käyttö on ollut melko yleistä jo pari vuosikymmentä. Vuosia käyttö on kuitenkin rajoittunut vain huolellisen ja standardoidun säteilynkestotestauksen läpikäyneisiin komponentteihin. Kun viimeisen vuosikymmenen aikana järjestelmien lähettäminen avaruuteen on vapautunut, uusia toimijoita on ilmestynyt markkinoille. Nykyään yhä useammat satelliitit perustuvat täysin kaupallisiin komponentteihin, mikä tekee niistä halvempia, pienempiä ja myös paremman saatavuutensa puolesta hyvin yhteensopivia tiukkojen laukaisuaikataulujen kanssa.

Kääntöpuolena on, ettei tällaisten järjestelmien luotettavuutta ole pystytty varmistamaan säteilyn aiheuttamaa uhkaa vastaan yhtä tehokkaasti. Tämän vuoksi avaruusromun määrän nopea lisääntyminen on erittäin iso ongelma. Samaan tapaan kuin avaruudessa käytetään kasvavissa määrin erittäin laajoja hajautettuja järjestelmiä (esim. Starlink tai Iridium), myös CERNin kiihdyttimellä hajautetut järjestelmät ovat avainroolissa kiihdyttimen toiminnassa. Lisäksi molemmissa laitteistot joutuvat toimimaan erittäin rankoissa säteily-ympäristöissä.

”Tämä on avannut uusia mahdollisuuksia avaruustoimijoiden sekä korkean energian kiihdyttimien käyttäjien väliselle yhteistyölle. Näin voidaan kehittää uuden ajan avaruussovellusten tarpeisiin tehokkaampia toimintatapoja varmistaa järjestelmien säteilynkestävyys”, Coronetti toteaa. 

Uusi teknologia tuo uusia uhkia avaruustoiminnalle 

Perinteisesti avaruusjärjestelmien luotettavuutta on tarkasteltu erittäin korkeaenergisten hiukkasten, kuten galaktisten kosmisten hiukkasten sekä Van Allen vyöhykkeisiin loukkuuntuneiden korkeaenergisten protonien näkökulmasta. Modernin teknologian kaupalliset komponentit kuitenkin koostuvat transistoreista, joiden kokoluokka on vain muutamia satoja atomeita. Puhutaan siis nanometreistä tai ehkä kymmenistä nanometreistä. Lisäksi komponentit toimivat erittäin pienillä käyttöjännitteillä. Yhdessä nämä tekijät tekevät monista nykykomponenteista haavoittuvaisia heikollekin ionisoivalle säteilylle, kuten matalaenergisille protoneille.

Coronetti käsittelee väitöskirjassaan näitä näkymiä mm. mallinnuksen avulla. Työssä puidaan myös, miten komponenttien herkkyys saattaa luoda merkittäviä uhkia jopa matalilla kiertoradoilla toimiville satelliiteille.

“Tulevina vuosina on odotettavissa, että matalaenergisten protonien käyttö elektroniikan testaamisessa lisääntyy ja sille määritetään selvät standardit. Jyväskylän yliopiston RADEF-testiasema on hyvässä asemassa vastaamaan tähän kysyntään”, Coronetti linjaa.

Testausyhteistyö hyödyttää niin isoja avaruusjättejä kuin pieniä satelliitti-startupeja

Yksi teknologisen kehityksen mahdollistaja on ollut uusien valmistustapojen kehittäminen. Monet korkean teknologian muistit ja prosessorit on valmistettu ns. 3D-IC tekniikalla, missä on useampi puolijohdekerros päällekkäin. Tämän avulla pakkaustiheyttä saadaan kasvatettua, mutta tällaisten komponenttien säteilynkeston testaaminen on erittäin monimutkaista ja kallista. Testaaminen ei välttämättä edes aina ole mahdollista perinteisiä testausmenetelmiä ja -standardeja käyttäen.

Tästä syystä avaruusjärjestöt ja -teollisuus pyrkivät etsimään vaihtoehtoisia tapoja uusien komponenttien säteilyvasteen määrittämiselle. Testausta ei enää välttämättä mietitä yksittäisen komponentin näkökulmasta, vaan testausta kehitetään kattamaan kokonaisia piirilevyjä tai jopa laajoja järjestelmiä mahdollisimman tehokkaasti. Tällaiseen tarkoitukseen korkeaenergiset hadroni- ja raskasionisuihkut ovat tarpeen.

Coronetti käy väitöksessään läpi CERNin CHARM-testiaseman tarjoamien korkeaenergisten hadronisuihkujen mahdollisuudet ja rajoitteet testauksessa. Työ keskittyy näiltä osin kyseisten hiukkasten aiheuttamien säteilyilmiöiden fysiikkaan sekä siihen, miten näillä suihkuilla mitatut tulokset voidaan kytkeä avaruudessa havaittaviin ilmiöihin. Väitöskirjan materiaali tässä kohtaa pohjautuu NASAn, ESAn ja Airbusin kanssa vahvassa yhteistyössä tehtyyn modernien avaruusjärjestelmien säteilynkestotestauksen ohjeistukseen.

“Monien kansainvälisten toimijoiden osoittama kiinnostus CERNin kanssa tehtävää yhteistyötä ja järjestelmätason testauksen standardien kehittämistä kohtaan tulee edistämään kaikkia osapuolia, isoista avaruusjäteistä pieniin satelliitti-startupeihin”, Coronetti kertoo.

Väitöskirja on julkaistu sarjassa JYU Dissertations numerona 453, Jyväskylä 2021, ISSN 2489-9003, ISBN 978-951-39-8915-6 (PDF). Linkki väitöskirjaan: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-39-8915-6

M.Sc. Andrea Coronettin väitöskirjan "Relevance and guidelines of radiation effect testing beyond the standards for electronic devices and systems used in space and at accelerators" tarkastustilaisuus keskiviikkona 17.12.2021 klo 12 salissa FYS1. Vastaväittäjänä professori Jean-Luc Autran (Aix-Marseille University, Ranska) ja kustoksena yliopistotutkija Arto Javanainen (Jyväskylän yliopisto). Väitöstilaisuuden kieli on englanti.

Yleisö voi seurata väitöstilaisuutta väitössalissa tai verkkovälitteisesti.
Linkki Zoom-webinaariin (suositellaan Zoom-sovellusta tai Google Chrome selainta): https://r.jyu.fi/dissertation-coronetti-171121

Puhelinnumero, johon yleisö voi tilaisuuden lopussa osoittaa mahdolliset lisäkysymyksensä (kustokselle): +358406146881