Aktuální číslo:

2019/9

Téma měsíce:

Hejno

Ochrana elektroniky ve vesmíru

Počítače v kosmické palbě
 |  5. 7. 2000
 |  Vesmír 79, 392, 2000/7

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.

P. D.

Ke stažení

OBORY A KLÍČOVÁ SLOVA: Kosmonautika

O autorovi

Pavel Dostál

Ing. Pavel Dostál (*1969) vystudoval přesnou mechaniku a optiku na ČVUT. V Astronomickém ústavu AV ČR pracuje ve skupině Fyzika okolí Země, která se v současné době zabývá vývojem družice Mimosa. (e-mail: dostal@asu.cas.cz)

Doporučujeme

Chůze v davu: impulzy bez doteku

Chůze v davu: impulzy bez doteku

Milan Krbálek  |  2. 9. 2019
„Nejednou nás chybný krok ponořil až ke stehnům do tmavého rosolovitého bahna, které se na metry kolem nás pod našimi kroky vlnilo. Jeho přilnavá...
Sportující faraon

Sportující faraon

Břetislav Vachala  |  2. 9. 2019
Schopný král byl zárukou, že nezvítězí síly zla a chaosu a „boží země“ Egypt bude trvale vzkvétat a bude se dařit jejímu lidu. To potvrzoval...
První obraz horizontu černé díry

První obraz horizontu černé díry

Michal Bursa  |  2. 9. 2019
Když jsme spolu s Vladimírem Karasem v roce 2010 psali o vyhlídkách radioastronomie na přímá pozorování černých děr (Vesmír 89, 226, 2010/4), byla...

Předplatným pomůžete zajistit budoucnost Vesmíru

Tištěná i elektronická
verze časopisu
Digitální archiv
od roku 1994
Speciální nabídka
pro školy a studenty

 

Objednat předplatné