Die entscheidende Rolle von Halbleiterkomponenten in Weltraummissionen:
Seit dem Start des ersten US-Satelliten Explorer 1 an Bord der Jupiter-C-Rakete haben Microchip-Komponenten ihre Eignung für den Weltraum unter Beweis gestellt und die strengen Strahlungs- und Zuverlässigkeitsstandards im All erfüllt.
Die Rolle von Halbleiterkomponenten in Weltraummissionen begann mit Frequenzsteuerungsgeräten, die für frühe Missionen unerlässlich waren. Frequenzsteuerung, beispielsweise durch Quarzoszillatoren, spannungsgesteuerte SAW-Oszillatoren (VCSOs) oder Atomuhren, ist grundlegend für die Elektronik von Weltraummissionen. Sie gewährleistet die präzise Übertragung und den Empfang von Signalen, die Kommunikationsstabilität, die Datenintegrität und die Systemsynchronisation. Diese Komponenten waren entscheidend für den Erfolg der ersten US-Weltraummission im Jahr 1958 und legten den Grundstein für eine lange Tradition der Zuverlässigkeit im Weltraum. Auch die Mondlandung von Apollo 11 im Jahr 1969, eine der größten Errungenschaften der Menschheit, basierte auf diesen Technologien. Microchip lieferte wichtige Kommunikationsunterstützung im Apollo-11-Mondlandemodul (LM) auf der Mondoberfläche.
Rubidium-, SAW- und Quarzoszillatoren unterstützen mehr militärische Kommunikations-, Satellitenbodenstations- sowie Test- und Messanwendungen als jede andere Präzisionsfrequenzreferenz weltweit.

Die Voyager-1-Mission, derzeit das am weitesten von der Erde entfernte, von Menschenhand geschaffene Objekt, demonstrierte erneut die beispiellose Leistungsfähigkeit von Halbleitern im Weltraum. Die Elektronik von Voyager 1 umfasste eine Kombination aus TTL- (Time-to-Live) und CMOS-Logik-ICs (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor), analogen Bauteilen, Speicherchips und speziell für die Herausforderungen des Weltraums entwickelten Halbleitern. Der Hauptcomputer von Voyager 1 nutzte eine eigens für die Raumsonde entwickelte CPU (Central Processing Unit) namens SPS-8, die von der NASA konstruiert wurde. TTL-Logik-Chips waren damals ein gängiger Typ digitaler integrierter Schaltungen, während heute die meisten Halbleiter-ICs auf CMOS basieren.

In den letzten Jahren haben sich Halbleitertechnologien als grundlegend für die Marsforschung erwiesen. Die Rover Curiosity und Perseverance, die unschätzbare Informationen über den Roten Planeten lieferten, sind auf diese Komponenten angewiesen, um in der rauen Marsumgebung zu funktionieren. Der Marsrover Perseverance enthält mehrere Komponenten von Microchip Technology. Dazu gehören Mikrocontroller für verschiedene Steuerungssysteme und Datenverarbeitungsaufgaben sowie integrierte Schaltkreise für das Energiemanagement, die für die effiziente Stromversorgung der verschiedenen Rover-Komponenten unerlässlich sind. Alle diese Komponenten sind strahlungsresistent und gewährleisten so, dass die Elektronik den extremen Bedingungen im Weltraum standhält. Diese Komponenten sind für den Betrieb des Rovers essenziell und ermöglichen ihm die Durchführung seiner wissenschaftlichen Aufgaben auf dem Mars.
Auch die indische Mondmission Chandrayaan-3, Indiens dritte Mondmission, nutzte zahlreiche Halbleiterkomponenten. Diese Komponenten, wie beispielsweise strahlungsresistente FPGAs, sind entscheidend für den Erfolg der Mission und ermöglichen Kommunikation, Navigation und wissenschaftliche Experimente auf der Mondoberfläche.
Die laufenden Artemis-Missionen, die darauf abzielen, Menschen zum Mond zurückzubringen und sie schließlich zum Mars zu schicken, setzen ebenfalls auf die bewährte Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit von Halbleitertechnologien.

Die Bedeutung von Zuverlässigkeit und Leistung in Raumfahrtprogrammen:
In der extremen Umgebung des Weltraums sind Zuverlässigkeit und Leistung nicht nur wichtig, sondern entscheidend. Halbleiterbauelemente bilden das Herzstück moderner Raumfahrtmissionen und versorgen alles mit Energie – von Satelliten und Rovern bis hin zu Kommunikationssystemen und Raumstationen. Angesichts der extremen Bedingungen im Weltraum – extreme Temperaturen, intensive Strahlung und das Vakuum – müssen die Bauteile über lange Zeiträume einwandfrei funktionieren. Selbst der geringste Fehler in einem Halbleiter könnte zum Scheitern der Mission führen, was die Bedeutung der Auswahl hochzuverlässiger Bauteile unterstreicht.

Die Herausforderung der Strahlung im Weltraum:
Der Weltraum ist von hoher Strahlung durchdrungen, die elektronische Bauteile schwer schädigen kann. Diese Strahlung kann Materialien angreifen, elektrische Ausfälle verursachen und übertragene Daten verfälschen. Beispielsweise kann die Sonnenstrahlung außerhalb der schützenden Erdatmosphäre Bauteile energiereichen Teilchen aussetzen, die zu Single-Event-Upsets (SEUs) oder Schäden durch die Gesamtstrahlungsdosis führen können.
Um diesen Herausforderungen zu begegnen, werden fortschrittliche Strahlungshärtungstechniken eingesetzt. Dazu gehören die Verwendung spezieller Materialien wie strahlungsresistenter Halbleiter und Designmodifikationen, die die Anfälligkeit für Strahlung verringern. So sind beispielsweise in Bordcomputern verwendete Mikroprozessoren für den Weltraum oft von vornherein strahlungsresistent (RHBDs), damit ein Ausfall nicht zum Absturz des gesamten Systems führt.
Dauertests zur Simulation von Weltraumbedingungen:
Zusätzlich zur Strahlungsresistenz haben Unternehmen mit langjähriger Erfahrung in der Raumfahrt rigorose Test- und Qualifizierungsverfahren entwickelt, die die Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit ihrer Komponenten gewährleisten. Diese Tests gehen weit über die standardmäßige Qualitätskontrolle in der Fertigung hinaus. Halbleiter in Weltraumqualität werden umfangreichen Temperaturwechseltests unterzogen, die die extremen Temperaturschwankungen im Weltraum simulieren – von der intensiven Hitze der Sonne bis zur eisigen Kälte des Weltraums. Ein Beispiel hierfür sind die Tests der NASA an Komponenten für den Mars-Rover Perseverance, der Temperaturschwankungen von -55 °C bis 125 °C ausgesetzt war. Daher mussten die Komponenten solchen Extremen standhalten, ohne auszufallen.
Die Komponenten werden außerdem Vibrationstests unterzogen, um die Belastungen und Vibrationen während eines Raketenstarts zu simulieren. Die enormen Kräfte, die bei Raketenstarts entstehen, sind mit den Kräften auf der Erde nicht vergleichbar. Halbleiterkomponenten müssen daher diesen Bedingungen standhalten, ohne ihre Integrität zu beeinträchtigen. So wurden beispielsweise während der Apollo-11-Mission kritische elektronische Komponenten Vibrationstests unterzogen, um sicherzustellen, dass sie die enormen Kräfte beim Start überstehen und so letztendlich zum Erfolg der Mondlandung beitragen.

Langzeitzuverlässigkeit: Beispiele aus der Raumfahrtgeschichte.
Weltraummissionen benötigen Komponenten, die nicht nur während der Mission funktionieren, sondern auch langfristig zuverlässig arbeiten. Die 1977 gestartete Raumsonde Voyager 1 ist ein Paradebeispiel dafür, wie wichtig Zuverlässigkeit für Langzeitmissionen ist. Nach über 40 Jahren im All kommuniziert die Sonde dank strahlungsresistenter und strengen Tests unter extremen Bedingungen immer noch mit der Erde. Ein
weiteres Beispiel ist die Internationale Raumstation (ISS), die auf zahlreiche Halbleitersysteme angewiesen ist, um Lebenserhaltungssysteme aufrechtzuerhalten, wissenschaftliche Experimente durchzuführen und die Kommunikationsverbindungen zu gewährleisten. Die ISS ist ständig der extremen Strahlung im Weltraum ausgesetzt, mit Temperaturen von +121 °C (Sonneneinstrahlung) bis -157 °C (im Schatten). Dennoch müssen die Halbleiterkomponenten an Bord Tag für Tag zuverlässig funktionieren.

Die Zukunft von Halbleiterkomponenten im Weltraum:
Mit dem Aufkommen von Satellitenkonstellationen im erdnahen Orbit (LEO) und der zunehmenden Kommerzialisierung des Weltraums wächst auch der Bedarf an zuverlässigen und leistungsstarken Halbleiterkomponenten. Neue Weltrauminitiativen erfordern Komponenten, die besonderen Herausforderungen gerecht werden und hohe Zuverlässigkeit, Innovation und Kosteneffizienz vereinen.

Erweiterung des Horizonts: Der sich entwickelnde Weltraummarkt

Ein wachsender Trend in der Raumfahrtindustrie ist der verstärkte Einsatz von Standardkomponenten (COTS), die aufgrund ihrer sofortigen Verfügbarkeit eine kostengünstige Lösung für Weltraummissionen bieten. Das Starlink-Satellitennetzwerk nutzt COTS-Komponenten, um Kosten zu senken und die Produktion zu beschleunigen. Viele der Bordelektroniken, insbesondere für nicht kritische Systeme, basieren auf diesen Komponenten, die preiswert sind und sorgfältig hinsichtlich ihrer Zuverlässigkeit im Weltraum ausgewählt wurden.

Ein Paradebeispiel ist die europäische Trägerrakete Ariane, die gemeinsam von der ESA (Europäischen Weltraumorganisation) und der französischen Raumfahrtagentur CNES entwickelt wurde. Die Ariane 5 (1985) war mit einem robusten QML-konformen Sparc-Zentralprozessor in einem hermetisch abgedichteten Gehäuse und einem 1553-Netzwerk zur Kommunikation zwischen allen Raketensystemen ausgestattet. Die neueste Version, die Ariane 6 (2024), verwendet nun einen COTS-Prozessor auf Basis der Arm®-Architektur mit Kunststoffgehäuse und Ethernet-Schnittstelle. Dies ist zudem ein weit verbreiteter Industriestandard, im Gegensatz zur raumfahrt- und militärspezifischen Technologie der Ariane 5.
Für hochzuverlässige Systeme, die in der Weltraumkommunikation eine hohe Leistung erbringen müssen, müssen COTS-Bauteile jedoch angepasst und zertifiziert werden, was spezielles Fachwissen erfordert. Unternehmen, die in den Weltraummarkt einsteigen oder vom New Space zum Deep Space wechseln möchten, sollten mit Halbleiterherstellern zusammenarbeiten, die über nachweisliche Erfahrung im Weltraumflug verfügen und in der Lage sind, COTS-Bauteile so aufzurüsten, dass sie den hohen Anforderungen von Weltraummissionen gerecht werden.

Erfahren Sie, wie die konsolidierte Flugbahn den Weg für eine neue Ära der Zugänglichkeit und Zusammenarbeit in Weltraumanwendungen ebnet

Microchip bietet seinen Kunden einen einfachen Weg von COTS-Bauteilen zu weltraumtauglichen Bauelementen. Dieser Ansatz ermöglicht skalierbare und anpassbare Lösungen, die auf die spezifischen Anforderungen jeder Mission zugeschnitten sind. Diese Flexibilität ist in der Raumfahrtindustrie unerlässlich – einem dynamischen und sich ständig weiterentwickelnden Sektor, in dem kontinuierlich neue Technologien und Missionsprofile entstehen. Indem Microchip die Hürden für die Kommerzialisierung und Erforschung des Weltraums senkt, ermöglicht das Unternehmen einen breiteren Zugang zu Weltraumtechnologien und -innovationen.
Kurzfristig lässt sich die Zukunft von Halbleitern im Weltraum als Kombination mehrerer Strategien vorstellen: Verbesserung von COTS-Bauteilen, Nutzung unserer Raumfahrterfahrung mit Sub-QML-Produktversionen zur Reduzierung des Auswahlaufwands, Senkung der Kosten und Verkürzung der Lieferzeiten sowie Anpassung der Fertigungsprozesse an die spezifischen Anforderungen einzelner Missionsprofile.
Durch die Kombination dieser Ansätze sichern wir auch weiterhin eine robuste und anpassungsfähige Zukunft für Halbleiter im Weltraum.

Zusammenfassend lässt sich sagen
, dass Halbleiterbauelemente für den Erfolg von Weltraummissionen unerlässlich sind, da sie die notwendige Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit in der rauen Umgebung des Weltraums gewährleisten.
Mit der Weiterentwicklung der Raumfahrtindustrie wird der Bedarf an zuverlässigen und leistungsstarken Halbleiterbauelementen weiter steigen.

Autor: Nicolas Ganry, Senior Marketing Manager der Luft- und Raumfahrt- sowie Verteidigungssparte von Microchip Technology