Cryogenic space exploration missions

The temperature in outer space is as low as – 240 degrees Celsius in the orbit of Pluto, – 125 degrees Celsius on Mars, and – 50 degrees Celsius at an altitude of 570 km above Earth where the Hubble telescope currently is. At such low temperatures, conventional electronics are of no use.

One idea proposed to enable the use of conventional electronics in space was the addition of a thermal source keeping the devices at a temperature higher than the surrounding one. Nevertheless, this seems impractical as more power would be needed to run the thermal sources. This would also make electronic devices heavy, bulky and complex.

Within the EU-funded 'Cryogenic electronics for space applications and research' (CESAR) project, researchers pioneered a technology called cryoelectronics. With higher thermal and electrical conductivity, lower operating power and better overall performance, cryoelectronics provides a better solution for outer space missions.

Moderately cooled magnetometers (measuring magnetic fields) provide a very high sensitivity for space exploration. X-ray detectors can reach a spectral resolution two orders of magnitude better than silicon (Si) ones. In the infrared domain, observations with bolometers (measuring electromagnetic radiation) are limited only by the photon background of zodiacal light.

The use of these new detectors based on cryoelectronics was hampered by the restricted availability of power. The power budget would be largely consumed for transporting recorded signals to distant warmer electronics for processing. CESAR researchers successfully undertook the challenge to design electronics to operate as close as possible to the detectors.

Recognising that existing cryoelectronic components had yet to be proven and a how-to manual was not available, CESAR researchers tested off-the-shelf components. Specifically, transistors based on Si germanium proved to outperform conventional Si-based transistors operating at a temperature higher than 100 Kelvins.

The next step was to determine how to create complex circuit designs using current complementary metal-oxide semiconductor technology that works at temperatures as low as 4 Kelvins. The cryoelectronic circuits improved the performance of the detectors because they control amplification and filtering of signals recorded as well as the conversion of digital signals into analogue, and vice versa.

Further developments include miniaturisation, packaging possibilities and extended functionalities for cryoelectronics. The CESAR project demonstrated how trying to unlock the secrets of the Universe requires amazing engineering on Earth. The outcomes were shared through the project website and a series of workshops aiming to explore opportunities in medical diagnostics and superconducting magnetic energy storage systems.Temperatur im Weltall liegt bei nur -240 Grad Celsius in der Umlaufbahn des Pluto, - 125 Grad Celsius auf dem Mars, und - 50 Grad Celsius in einer Höhe von 570 km über der Erde, wo sich das Hubble-Teleskop derzeit befindet. Bei so niedrigen Temperaturen, ist herkömmliche Elektronik nutzlos.

Eine Idee, die vorgeschlagen wurde, um konventionelle Elektronik im Weltraum einsetzen zu können, war die Zugabe einer thermischen Quelle, die die Geräte auf einer Temperatur hält, die über der Umgebungstemperatur liegt. Dennoch scheint dies nicht praktikabel, da mehr Leistung erforderlich wäre, um die Heizquellen zu betreiben. Dadurch wären die elektronischen Geräte schwer, sperrig und komplex.

Innerhalb des EU-finanzierten Projekts "Cryogenic electronics for space applications and research" (CESAR) haben Forscher erstmalig eine Technologie namens Kryoelektronik ausprobiert. Mit einer höheren thermischen und elektrischen Leitfähigkeit, geringerer Betriebsleistung und einer besseren Gesamtleistung, bietet Kryoelektronik eine bessere Lösung für Weltraum-Missionen.

Mäßig gekühlte Magnetometer (Messung von Magnetfeldern) liefern eine sehr hohe Empfindlichkeit für die Weltraumerkundung. Röntgendetektoren können eine spektrale Auflösung erreichen, die zwei Größenordnungen über der von Silizium (Si) liegt. Im Infrarotbereich werden Beobachtungen mit Bolometer (Messung elektromagnetischer Strahlung) nur durch den Photonenhintergrund des Zodiakallichts begrenzt.

Der Einsatz dieser neuen auf Kryoelektronik basierenden Detektoren wurde durch die eingeschränkte Verfügbarkeit von Strom behindert. Das Strombudget würde größtenteils für den Transport der aufgezeichneten Signale zu entfernter liegenden wärmeren Elektronik verzehrt werden, wo die Verarbeitung stattfinden würde. Die Forscher von CESAR übernahmen erfolgreich die Herausforderung, Elektronik zu entwerfen, die so nah wie möglich an den Detektoren betrieben wird.

Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass die Machbarkeit bestehender kryoelektronischer Komponenten noch nachgewiesen werden muss und dass eine Gebrauchsanleitung noch nicht verfügbar ist, testeten die Forscher von CESAR handelsübliche Komponenten. Insbesondere Transistoren auf der Basis von Si Germanium erwiesen als leistungsfähiger als herkömmliche Si-basierte Transistoren, die bei einer Temperatur über als 100 Kelvin arbeiten.

Der nächste Schritt war zu bestimmen, wie komplexe Schaltungsentwürfe unter Verwendung aktueller komplementärer Metall-Oxid-Halbleitertechnologie, die bei Temperaturen von 4 Kelvin arbeiten, zu entwerfen sind. Die kryoelektronischer Schaltungen verbesserten die Leistung der Detektoren, weil sie die Verstärkung steuern und erfasste Signale filtern sowie digitale Signale in analoge und umgekehrt konvertieren.

Zu den weiteren Entwicklungen gehören Miniaturisierung, Verpackungsmöglichkeiten und erweiterte Funktionalitäten für Kryoelektronik. Das CESAR-Projekt zeigte, dass erstaunliche Technische Entwicklungen auf der Erde benötigt werden, um dem Universum seine Geheimnisse zu entlocken. Die Ergebnisse wurden auf der Projektwebsite veröffentlicht und in einer Reihe von Workshops verbreitet, um Möglichkeiten in der medizinischen Diagnostik und für supraleitende magnetische Energiespeichersysteme zu erkunden.