Un satellite conterà gli alberi sulla Terra

Quanti alberi ci sono sulla Terra? La missione Biomass dell’ESA condurrà un’indagine forestale globale, sfruttando la lunghezza d’onda radar più lunga per perforare le chiome dei boschi. I nuovi transistor a microonde sono pronti per il volo spaziale.

Con un lancio previsto per il 2022, la missione quinquennale di Biomass è quella di tracciare una mappa della biomassa delle foreste della Terra e dei suoi cambiamenti nel tempo. Contribuirà alla comprensione dei cambiamenti climatici e dei suoi effetti sul sistema terrestre, attraverso il ciclo globale del carbonio. Lo farà utilizzando un “radar ad apertura sintetica” per inviare i segnali dall’orbita e registrare la retrodiffusione risultante, per costruire mappe di altezza e volume dell’albero e aumentare le stime degli stock di carbonio globali.

Il P-band radar

Per vedere attraverso le cime degli alberi, Biomass impiegherà un P-band radar che mai prima aveva volato nello spazio. I suoi segnali saranno amplificati per scendere da un’orbita di 600 km di altitudine fino alla Terra e ritorno.

“È stata una sfida tecnica”, spiega Florence Hélière, Responsabile del carico di Biomass. “A causa della lunga lunghezza d’onda del radar in banda P, i tradizionali amplificatori a valvole a vuoto sarebbero stati troppo grandi e pesanti per il satellite”.

“Ci siamo rivolti invece ai transistor allo stato solido come amplificatori – ma nessuna tecnologia esistente al mondo ha fornito le prestazioni necessarie alla progettazione dello strumento. Fortunatamente, parallelamente, è stata resa disponibile un’altra soluzione, dopo anni di sviluppo guidato dall’ESA.”

Un semiconduttore innovativo

Questi transistor alternativi sono basati sul nitruro di gallio (GaN), salutato come il semiconduttore più promettente dal silicio. Nei lettori BluRay, è inserito un piccolo cristallo di GaN, parte del diodo laser viola che legge i dischi.

P-band radar piercing through forest canopy.
Copyright ESA

La natura versatile di GaN wide bandgap ha il potenziale di fornire una potenza di uscita in radiofrequenza 10 volte maggiore rispetto ai semiconduttori tradizionali, pur operando anche a temperature molto più elevate. Come vantaggio per lo spazio, è anche intrinsecamente resistente alle radiazioni, quindi può far fronte all’ambiente spaziale compreso il tempo spaziale imprevedibile causato dal sole.

“Più di un decennio fa, l’ESA ha visto il potenziale della tecnologia GaN e l’importanza di sviluppare una catena di approvvigionamento affidabile per l’uso spaziale”, afferma Andrew Barnes, ingegnere esperto in tecnologia ESA.

“Il risultato, nel 2008, è stata l’iniziativa GaN Reliability and Technology Transfer – GREAT2, che ha collaborato con istituti di ricerca e industria europei per produrre e testare transistor a microonde e circuiti integrati GaN compatibili con lo spazio. Il nostro primo prodotto GaN è volato a bordo della missione Proba-V dell’ESA nel 2013.

“Quella prima dimostrazione di volo ha mostrato alla squadra di Biomass che il GaN era pronto per essere utilizzato. Poi, nel 2014, è iniziato il duro lavoro. Basandoci sull’esperienza di GREAT2, supportata dall’Earth Observation Program dell’ESA, abbiamo dovuto qualificare in volo circa 120 articoli, in transistor basati su GaN da 15W e 80W, per dimostrare che potevano soddisfare i requisiti delle missioni.”

Test severissimi

Il programma triennale che seguì fu l’insieme più estremo di processi di controllo della qualità immaginabile. Il lavoro è stato intrapreso per l’ESA da United Monolithic Semiconductors, responsabile della tecnologia dei transistor, e Tesat-Spacecom, che ha supervisionato il loro assemblaggio, packaging e qualificazione spaziale. Airbus Defense and Space ha supervisionato la missione complessiva di Biomass.

Per cominciare, i lotti di GaN sono stati sottoposti a radiofrequenze e test elettrici, sono stati sottoposti a temperature estreme e schiacciati o fatti a pezzi.

Come passo successivo, i campioni dei circuiti funzionali sono stati sottoposti a test di durata accelerati, in esecuzione per oltre 3.000 ore, senza degradazione dell’emissione di potenza RF, per superare i “test di accettazione del lotto”.

Per proteggerli dagli estremi dell’ambiente orbitale, i transistor dovevano essere completamente saldati al laser all’interno di confezioni ermetiche, seguiti da vari test per garantire una tenuta solida, che andava dall’ispezione a raggi X al loro impatto e al rilevamento del livello di eco.

Una volta completamente imballate, le parti sono state testate a caso con prove di qualificazione da 15 W e 80 W, con una serie di prove quali vibrazioni e altri test meccanici, ispezione microscopica, test di resistenza o forma e carattere dell’uscita del segnale.

I dispositivi hanno anche completato il test della radiazione – simulando l’interazione con le particelle cariche incontrate nello spazio – e anche per i vari effetti distruttivi che si sono verificati attivando il funzionamento di sistemi radio ad alta potenza nel vuoto.

 

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