Ochrana elektroniky ve vesmíru

Podobně jako ozonová vrstva zabraňuje většině ultrafialového záření v pronikání až k povrchu Země, zemská magnetosféra a ionosféra tvoří štít proti nebezpečným nabitým částicím z kosmu. Ty pocházejí jak z aktivity našeho Slunce, tak ze vzdálenějšího vesmíru, například z pulzarů a supernov. Všechno na Zemi - včetně elektroniky - je tedy celkem účinně chráněno, pokud se ovšem náhodou nenalézáme uvnitř jaderného reaktoru nebo urychlovače. Jinak je to ale s kosmickou elektronikou. Palubní součástky družic a sond jsou v kosmu vystaveny proudům vysoce energetických nabitých částic, elektronů, protonů a iontů. Dokonce piloti běžných dopravních letadel s výškou letu kolem 10 km se občas setkávají se selháním přístrojů v důsledku zvýšené kosmické radiace.

Zdroje ohrožení

Kosmické prostředí v naší sluneční soustavě není statické. Hlavním zdrojem a regulátorem proudů vysoce energetických nabitých částic je Slunce, které je přibližně 7 let v maximu a 4 roky v minimu činnosti. V době maxima aktivity se zvyšuje stálý proud částic ze Slunce (sluneční vítr) a zvyšuje se počet slunečních erupcí - hlavní zdroj vysoce energetických částic. V minimu sluneční aktivity naopak erupce zcela ustávají. V důsledku slabšího slunečního větru a nízké geomagnetické aktivity se však v okolí Země zvyšuje proud nabitých částic přicházejících ze vzdálenějšího vesmíru.

Defekty elektroniky

Energetické protony a těžké ionty ionizují elektronický materiál, vytvářejí uvnitř polovodičového substrátu dráhu párů elektron-elektronová díra. Některé z dvojic rekombinují a přebytečné díry se ukládají poblíž p-n přechodu, kde se hromadí. V případě radiačně neupravené součástky je zde až pětina těchto děr trvale zachycena. Ty potom mohou způsobit postupnou degradaci součástky, nebo i proudové impulzy.

U některých kosmických přístrojů se při radiačním zatížení jednotlivé součástky nepoškodí (dočasně ani trvale), ale po čase se tato expozice projeví zvýšeným šumem.

Výhledy

Snižování nákladů na jednotlivé kosmické mise a miniaturizace elektroniky jsou zřejmě trvalé trendy. To ovšem ve své podstatě značně omezuje vývoj speciálních a odolnost běžných elektronických součástek pro použití ve volném vesmíru. Proto zároveň se zmíněnými trendy porostou i požadavky na lepší popis radiačního prostředí a jeho vlivu na moderní elektroniku. Budování dokonalejších modelů pro různé zdroje radiace umožní přesnější určení dávek v průběhu jednotlivých misí. Dokonalejší testování přímo v kosmickém prostředí zase dovolí místo drahého vývoje nadbytečně odolných součástek dodat již odzkoušenou elektroniku. Takové vesmírné laboratoře jsou už v provozu. Jednou z nich je například LDEF (Long Duration Exposure Facility), kde se testují nejenom elektronické prvky, ale i různé konstrukční materiály, plastické hmoty, keramika, lepidla, mazadla, a dokonce celé palubní systémy.

Přestože kosmická radiace bude asi navždy obtěžovat člověka při jeho pokusech o poznání okolního vesmíru, lze ji současně díky tomuto poznání omezit na bezpečnou úroveň.

Typy kosmického záření

Protony a elektrony zachycené v radiačních pásech Země. Takzvané Van Allenovy vnitřní a vnější radiační pásy obepínají Zemi podél rovníku. Jsou tvořeny magnetickými siločárami, které mohou zachytit prolétající částice z vnějšího kosmického prostoru. Ty jsou potom uvězněny v šroubovicovém pohybu podél energeticky odpovídající siločáry a putují od severního pólu k jižnímu a zpět. Takto mohou setrvat v radiačním pásu až stovky let, než jsou srážkou s jinou částicí odraženy ven nebo ztratí svou energii. Vnitřní pás je tvořen zachycenými protony s energií od 10 do 100 MeV, vnější pás obsahuje především ionty a elektrony o energiích pod 10 MeV. Četnost částic je ovlivňována sluneční aktivitou, variacemi a poruchami magnetického pole Země a je ve vnějším pásu asi desetkrát větší než ve vnitřním. Pronikání emitujících elektronů vnějšího pásu až k zemskému povrchu způsobuje mimo jiné i známé polární záře.

Protony a těžké ionty kosmického záření. Tyto částice mají původ mimo naši sluneční soustavu a někdy i mimo naši Galaxii. Jejich zrod není ještě zcela objasněn, jde však zřejmě o pozůstatky velkých explozí (supernovy), hvězdných erupcí, či o původně méně energetické částice urychlené tím, že procházejí kosmickým magnetickým plynem. Toky takových částic jsou obvykle malé, ale zato jde o vysoce nabité elementy s energií od desítek MeV do stovek GeV. Z kosmického záření asi 85 procent tvoří protony, 14 procent částice alfa (jádra helia) a 1 procento těžké ionty. Tok částic v okolí Země může být přibližně 1 až 5 částic za sekundu na 1 cm².

Protony a těžké ionty ze slunečních erupcí. Sluneční erupce jsou hlavním zdrojem nebezpečného záření ovlivňujícího nejen družice a sondy, ale i stupeň geomagnetické aktivity, a tím i obyvatele Země. Během minima slunečního cyklu dochází pouze velmi zřídka k erupcím, ovšem v době 7letého maxima je jejich četnost značná. Několikrát za tuto dobu dojde k velmi silným jevům trvajícím i několik dnů. Vyprodukované záření sahá od radiové až k rentgenové oblasti a současně je vyvrženo množství energetických protonů, částic alfa, elektronů a iontů různých prvků s energií až 1 GeV. Právě nyní se blížíme maximu činnosti (kolem roku 2002), a tak je vlastně v současnosti trochu nevhodná doba pro vypouštění družic.