Europa is meer dan alleen een van de vele manen van Jupiter. Het is ook een van de meest veelbelovende plekken in ons zonnestelsel om naar buitenaards leven te zoeken. Transistors gemaakt van het extreem robuuste silicium-germanium (SiGe) kunnen daarbij helpen.

De maan Europa is omhuld door een dikke laag ijs, maar minder dan tien kilometer onder de oppervlakte bevindt zich een zee met vloeibaar water, waar mogelijkerwijs leven kan bestaan. Zouden er in een mysterieuze oceaan hier ver vandaan levende wezens rondzwemmen? De NASA wil het (net als wij) heel graag weten.

Een boorexpeditie naar Europa is nogal een uitdagende ruimtemissie. Het is er met oppervlaktetemperaturen van -180 graden Celsius steenkoud. In combinatie met de extreme stralingsniveaus is het een van de meest onherbergzame plekken in ons zonnestelsel.

Europa Clipper
Eerst wil de NASA in oktober 2024 de Europa Clipper lanceren, een ruimtevaartuig dat met een beetje hulp van de zwaartekracht van Mars (in februari 2025) en de Aarde (in december 2026) uiteindelijk in een baan om Europa aan hoopt te komen in april 2030 en de oceanen van Europa in kaart zal brengen. Het plan is om daarna een landingsvoertuig, de Europa Lander, te sturen om door het ijs te boren en de oceaan te verkennen. Maar het begint allemaal met elektronica die kan functioneren in de extreme omgeving van Europa.

Het Georgia Institute of Technology is druk bezig om transistors te ontwikkelen die zich niks aantrekken van kou en straling en is uitgekomen bij silicium-germaniumtransistoren. Professor John D. Cressler en zijn studenten werken al tientallen jaren met zogenoemde silicium-germanium heterojunction bipolaire transistors (SiGe HBT’s) en hebben ontdekt dat ze unieke voordelen hebben in extreme omgevingen zoals Europa.

Niet kapot te krijgen
“Door de manier waarop ze zijn gemaakt, overleven deze apparaten onder extreme omstandigheden. We hoeven in dat opzicht niks te veranderen aan de onderliggende technologie”, zegt projectonderzoeker Cressler. “Je kunt de technologie gebruiken om te bouwen wat je wilt hier op aarde, en je kunt het vervolgens in de ruimte gebruiken.” De onderzoekers nemen deel aan het NASA Concepts for Ocean Worlds Life Detection Technology (COLDTech)-programma om de elektronica-infrastructuur te ontwerpen voor de landingsmissies naar Europa die na de Europa Clipper gepland staan.

Extreem onherbergzaam
Net als de aarde heeft Jupiter ook een kern van vloeibaar metaal die een magnetisch veld genereert en stralingsgordels van hoogenergetische protonen en elektronen produceert door de invallende zonnewind. Europa zit helaas vol in de vuurlinie van Jupiters stralingsgordels. De technologie die voor het oppervlak van Europa wordt ontworpen, moet dus niet alleen de koude temperaturen kunnen overleven, maar ook de zwaarste straling die in ons zonnestelsel bestaat.

Laten de SiGe HBT’s zich nu geen snars aantrekken van dit apocalyptische klimaat. Deze transistoren hebben het unieke vermogen om hun prestaties te behouden bij extreme blootstelling aan straling, en wat betreft de immense kou: de transistoreigenschappen werken zelfs het beste bij zeer koude temperaturen. Deze unieke combinatie maakt silicium-germanium-transistortechnologie tot de ideale kandidaat voor verkenning van Europa.

“We zijn niet alleen bezig te bewijzen dat SiGe werkt”, zegt Cressler. “We zijn de elektronica aan het ontwikkelen voor NASA om op Europa te gebruiken. We weten dat SiGe hoge stralingsniveaus kan overleven. En we weten dat het goed blijft werken bij koude temperaturen. Wat we niet wisten, is of de transistors ook doen wat ze moeten doen onder beide condities tegelijkertijd. Dat moesten we testen, want dat heeft de NASA nodig voor oppervlaktemissies op Europa.”

50.000 shades of gray
Om deze vraag te beantwoorden, gebruikten de Georgia Tech-onderzoekers JPL’s Dynamitron, een machine die high-flux elektronen afschiet bij zeer lage temperaturen om SiGe te testen in een Europa-achtige omgeving. Ze stelden de transistors bloot aan een bizar hoge stralingsdosis van 50.000 gray (twee tot vier gray is al dodelijk voor de mens), bij 300, 200 en 115 Kelvin (-158 graden Celsius). “Elektronica is nog nooit getest in zo’n omgeving. Ons experiment was het definitieve bewijs dat het klopte wat we beweerden – dat SiGe de oppervlakteomstandigheden van Europa goed aankan”, aldus Cressler.

De komende twee jaar gaan de onderzoekers de daadwerkelijke circuits van SiGe ontwikkelen die op Europa kunnen worden gebruikt, zoals radio’s en microcontrollers. Maar wat nog mooier is, deze apparaten kunnen worden ingezet in bijna elk interstellair scenario, ook op de maan en op Mars. “Als Europa de slechtst denkbare omstandigheden heeft in het zonnestelsel, en het lukt om ze daar aan de praat te krijgen en te houden, dan zullen ze overal werken”, besluit Cressler.

Bekijk hieronder een video over de zoektocht naar leven op Europa door NASA COLDTech: ‘We’re turning science-fiction into reality’.