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NASA 终于研发出能在金星表面上运行的电脑

本文作者:石松 2017-02-09 16:36
导语:金星表面环境恶劣,不过好消息是,NASA有望研发出能够克服高温、高压条件的计算机组件,这将有助于金星探索。

要在金星表面上放一台电脑?做到耐酸雨腐蚀很容易,但是能承受500°C的超高温和约为地球大气压90倍的超高压却是一件难事。

NASA 终于研发出能在金星表面上运行的电脑

上图为人类掌握的少有的金星图像之一,由一个金星探测器拍摄下来。这张图片是从原来的低分辨率摄像机镜头画面经过大量后期处理得来的。

金星是太阳系中最不适宜居住的地方之一。 当着陆器下降时,穿过沸腾着的硫酸雨形成的云雾实际上是件容易的事。真正的难点是着陆器登陆后,不会被金星表面470°C的高温烤坏或是被约为地球大气压90倍的超高压压碎,要知道这里的大气压强等同于你在水下900米游泳时受到的压强。

对于人造探测器,在金星上的最长生存时间是127分钟,这项纪录是1981年前苏联航天器Venera 13号创造的。 坚持了两个小时没有损毁,并回传给我们第一张关于这个星球表面状况的彩色照片,被认为是一个巨大的成功。当时这个探测器的预计使用寿命是在被金星表面的恶劣环境烤坏、压碎或是酸雨腐蚀分解前,能够存活32分钟。 随后又升空了三个金星探测器,均由前苏联发射,分别是Venera 14号,Vega 1号,Vega 2号。但自1985年以后,我们就没有试图让任何航天器在金星表面上着陆。

探索金星的核心问题之一是,普通的数字计算机无法在那里长时间的正常工作。 标准的硅基芯片可以承受大约250°C高温,但最终系统中积聚了过多的能量,硅材料性质发生变化,不再是半导体材料,其中的电子可以自由越过带隙,这时一切都停止工作了。Venera着陆器采用繁琐笨重的密封仓室来保持芯片的电子处于冷却状态,在脱离母轨道进入大气层之前,有时内部先被预冷却到大约-10°C左右。

在过去几年中,基于半导体碳化硅(SiC)材料的电子学已经开始成熟。 SiC从军事和重工业中吸引了很多人的兴趣,因为它可以支持非常高的电压和温度,这些性能也使其成为研制金星计算机非常合适的参考材料。

NASA 终于研发出能在金星表面上运行的电脑

在NASA Glenn炽热(400C +)的碳化硅环形振荡器

现在,NASA的Glenn研究中心的研究人员已经破解了限制高温集成电路的另一个大问题:他们已经制造出了将晶体管和其他集成组件连接在一起的微小导线,这种导线也可以在金星的极端条件下正常工作。

NASA Glenn研究人员将新型导线与一些SiC晶体管相结合,制作了一个陶瓷封装芯片。 然后将该芯片放入GEER-the Glenn Extreme Environments Rig中,该机器可以一次性保持类似金星的温度和压力运作数百小时。 该芯片是一个简单的3级振荡器,在GEER不得不关闭之前,该芯片在稳定的1.26MHz工况下运行521小时(21.7天)。

NASA Glenn发言人说,这是第一个已知的计算机芯片在没有压力容器,冷却系统或其他保护措施的帮助下,在类金星状况下运行多天/周的示范。 “随着进一步的技术成熟,这样的SiC集成电路可以大大提高金星着陆器设计和计算性能,从根本上实现长期在金星的表面从事高性能计算任务。”研究人员总结。

向金星发送着陆器不只需要耐高温的电子元器件。 在研究这个故事的时候,我偶然发现了一个很棒的网站,记录了从1961年到1985年前苏联对金星的探索。事实证明,制造能在470℃和9MPa条件下继续工作的工具是相当困难的。 请查看Venera 13号和14号着陆器上钻孔设备的描述:

“能够在固体火成岩中钻3厘米,如果需要,钻头需要发明新合金和新型电动机。 机器部件设计为仅在热膨胀到500℃之后才适合和正常工作。 伸缩钻头下降到钻孔表面用时两分钟。 烟火装料系统无需一系列的密封,允许金星的高压气体涌入装配管道中。 土壤分阶段进入土壤转移管和样品容器中。 样品容器被烟火装料系统通过气锁控制,最终进入x射线荧光室。 然后大型真空储存器将室压力降低至约0.06个大气压。”

金星着陆器的机械设计方面今天仍然很困难,但是由于材料科学,石油钻探和其他高温工业的进步,这应该在我们的能力范围内。不过好消息是大概在2023年,NASA Glenn将设计完成一辆更加复杂、困难的拥有更多运动组件的金星登陆车。

Via arstechnica

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