Raumfahrtelektronik

Seit Tagen geht mir folgende Hauptfrage durch den Kopf:

Wie lange würde eigentlich unsere heutige Standartelektronik beim Flug durchs All überleben?

Würde man z.B. eine GoPro, ein Smartphone oder ein Raspberry Pie ins All schicken. Wie lange würden diese Geräte gegen die widrigen Bedingungen (Vakuum, Kälte, Hitze, Strahlung, ...) bestehen?

Ich glaube mich zu errinnern, dass SpaceX bei dem bekannten Video des zurückfallendenen Fairings eine GoPro Kamera eingesetzt hatten und auch die Russen (war es bei dem Olympia-Fackellauf an der ISS?) beim Außenbordeinsatz diese verwendeten. Gibt es Displays die außerhalb der Raumstation/Raumschiff funktionieren?

Wie hoch ist die Wahrscheinlichkeit, dass die Elektronik durch hochenergetische Teilchen/Strahlung zerstört wird?

Wie könnte man die Standart-Elektronik schützen damit die Haltbarkeit erhöht wird? Kennt ihr (weitere) Standartelektronik die im All eingesetzt wird?

Worauf willst du hinaus? Dass die Raumfahrt-Ingenieure unnötig teure Bauteile verbauen und dass man alles viel billiger machen könnte? Die Strahlung im All ist halt nicht ohne, und es wäre am Ende des Tages auch nicht schlecht, wenn die Technik, von der das Gelingend er Mission und ggf. das Überleben der Mannschaft abhängt, auch tatsächlich funktionieren würde.

Könnte bitte jemand von der Moderation den Threadtitel ändern? Elektronik für den Weltraum ist ja nun weder ein Kunstprojekt (Stand-Art) noch eine kleine Flagge für den Kotflügel einer Staatskarosse (Standarte).

Ich habe den Titel korrigiert und verallgemeinert.

Elektronik ist durchaus die große Frage. Welche Bauteile/Technologien sind möglich (für welche Anwendung)? Mal ganz grundsätzlich: Smartphone-Technologie tut's eher nicht (lange) im Orbit. Aber "größere" kommerzielle Elektronik scheint durchaus haltbar genug zu sein. Die Orbithöhe macht auch starke Unterschiede. LEO ist gemütlicher als MEO oder GEO.

Lass mich mal raten: Im LEO gibt es noch einiges an Schutz durch das Erdmagnetfeld, richtig?

Jein, das ist local abhaenging. Ueber der Suedatlantischen Anomalie und ueber den Polen kommt immer noch sehr viel durch. Auch da braucht man also ausreichend Schutz.

Allgemein muss man also auch handelsuebliche Elektronik zusaetzlich schuetzen. Das wird zB Spacex bei den GoPros nicht anders gemacht haben. Zumindest eine Art Schutzhuelle aussen herum sollte schon noetig sein.

Lass mich mal raten: Im LEO gibt es noch einiges an Schutz durch das Erdmagnetfeld, richtig?

Richtig, innerhalb des Van-Allen-Gürtel ist die Strahlenbelastung weit aus geringer. In der Grenzschicht scheinen noch andere Effekte aufzutreten die vor allem die Elektronik beeinflussen. Beim letzten Flug der NASA Orion war genau das eines der Testkriterien.

Jein, das ist local abhaenging. Ueber der Suedatlantischen Anomalie und ueber den Polen kommt immer noch sehr viel durch. Auch da braucht man also ausreichend Schutz.

Allgemein muss man also auch handelsuebliche Elektronik zusaetzlich schuetzen. Das wird zB Spacex bei den GoPros nicht anders gemacht haben. Zumindest eine Art Schutzhuelle aussen herum sollte schon noetig sein.

Das ist ja auch eine Frage der Verwendung. Wenn die GoPro ausfällt gibt es zwar keine schönen Filmchen, aber die zahlende Nutzlast kommt trotzdem an. Wenn aber der Bordcomputer ausfällt ist eventuell die Mission gescheitert. Daher muss für funktionelle Elektronik die Zuverlässigkeit sehr hoch gesichert sein. Dazu gibt es Space-grade Elektronik, die noch zuverlässiger ist als MIL-grade Militärelektronik. Leider kostet das auch Größenordnungen mehr als kommerzielle Elektronik.

Die Frage ist vielschichtiger als du denkst.

Es gibt eine handvoll Effekte, die unterschiedliche Bauteile unterschiedlich betreffen. Ich reiße mal nur ein paar an:

Temperatur:
Ausserhalb der spezifizierten Temperatur kann es zu thermischen Problemen im Silizium kommen, das wird in erster Linie die Lebensdauer verkürzen, kann aber auch zu Funktionsstörungen führen, die mal temporär und mal dauerhaft sein können.
Ein Schaltregler der bei Zimmertemperatur normal tut, kann bei zu kalten Temperaturen einfach nie schalten, oder bei zu hohen  "durchbrennen".
Schlimmer sind Temperaturzyklen wenn es um thermischen Stress geht. Da können Lötstellen nach wenigen Tagen abreißen wenn du alle 90 Minuten von sehr kalt zu sehr heiß wechselst.

Single Events (SEE) durch hochenergetische Teilchen:
Ein Single Event kann eine Datenveränderung bewirken (SEU). Damit wird aus einen hellen Pixel ein dunkles, oder auch aus einem ADD-Befehl ein JMP und schon hängt die Software im Nirwana und kann nur durch Power-Cycle wieder geweckt werden.

Es gibt aber auch zerstörende Single Events (SEL, SEGR,...). Die unter Umständen in Sekunden ein Bauteil durchbrennen lassen.

Totaldose durch die akkumulierte Strahlung (TID):
Total-Dose effekte sind oftmals schleichend und langsam, verkürzen also idR nur die Lebensdauer. Aber sie können neben Elektronik auch z.B. Optik betreffen (also die Linse deiner Gopro).
Ein bekannter Effekt von TID wäre z.B. das man ein Flash irgendwann nicht mehr beschreiben kann, eine Weile aber noch lesen.

Schützen kann man gegen TID durch Schirmung (z.B: Bleimantel) bis zu einem bestimmten Grad, gegen Temperatur mit Heat-Pipes, die dafür sorgen, das die Temperatur stabil bleibt.
Gegen hochenergetische Teilchen gibt es keinen sinnvollen Schutz.

Zur Frage "wie wahrscheinlich ist ein Ausfall" hängt das auch davon ab, wie aktiv die Sonne gerade ist.

Auf dem LEO sind es evtl weniger Hochenergetische Teilchen, dafür auch die Trapped Protons im Magnetfeld, die eine Rolle spielen.
Unter Umständen ist dein Raspi auch ein gutes Messinstrument, um zu sehen, ob der Satellit gerade in der Nähe der Südamerika-Anomalie ist, denn da kannst du nicht nachträglich schützen, wenn nicht schon bei der Bauteil-Entwicklung auf Strahleneffekte geachtet wurde.

 

Das wird zB Spacex bei den GoPros nicht anders gemacht haben. Zumindest eine Art Schutzhuelle aussen herum sollte schon noetig sein.

Also ich wäre mir da nicht so sicher. Wie lange müssen denn die GoPros arbeiten? Doch eigentlich nur über die Dauer des Startvorgangs hinweg. Keine im LEO vorherrschende Strahlung vermag Elektronik oder Bildsensoren derart schnell zu schädigen. GoPros verwenden CMOS-Bildsensoren und ich glaube z.B. nicht, dass ein hochenergetisches Teilchen überhaupt für einen Pixelflash sorgen kann (ähnlich der gelegentlichen kleinen Blitze auf der Netzhaut bei geschlossenen Augen, von denen Astronauten schon gesprochen haben).

Gerade im Bereich Cubesats wurden angesichts der kurzen Oribtalverweilzeiten ja auch bereits relativ ungeschützte Elektronikkomponenten eingesetzt, stellenweise sogar handelsübliche Smartphone-Elektronik (STRaND-1, PhoneSat, etc.).
Ich halte z.B. das Thema Radiation Hardening daher erst bei dauerhaftem Einsatz (Monate bis Jahre) großer und somit teurer Systeme im Orbit für notwendig.

Es gibt übrigens auch ein relativ unbekanntes deutsches NewSpace-Unternehmen, welches sich dem Thema strahlungeresistenter Elektronikbauteile (ok, das Produktspektrum ist relativ überschaubar) gewidmet hat: SpaceIC

Recht vielen Dank für eure ausführlichen Antworten. Ich werd sie mir mal ausführlich durchlesen. Es kommen bestimmt noch weitere Fragen

Also ich wäre mir da nicht so sicher. Wie lange müssen denn die GoPros arbeiten? Doch eigentlich nur über die Dauer des Startvorgangs hinweg. Keine im LEO vorherrschende Strahlung vermag Elektronik oder Bildsensoren derart schnell zu schädigen. GoPros verwenden CMOS-Bildsensoren und ich glaube z.B. nicht, dass ein hochenergetisches Teilchen überhaupt für einen Pixelflash sorgen kann (ähnlich der gelegentlichen kleinen Blitze auf der Netzhaut bei geschlossenen Augen, von denen Astronauten schon gesprochen haben).

Ich glaube du solltest weniger Glauben und mehr über SEE lesen. Speziell SEL was schnelles schädigen von CMOS-Bauteile angeht und SEU/SET im Zusammenhang mit CIS (CMOS Image Sensor) was Pixelstörungen angeht. Zumal es dem Anwender egal ist, ob ein Pixel im Sensor oder im Speicher der Gopro kippt, wenn am Ende lauter Punkte und Streifen im Bild sind, muss man die mittels SW wieder rausfiltern.

Aber unterm Strich kann man einfach ein paar Kameras austesten, entweder es klappt, oder es klappt nicht.  Und solange du nur ein Bild vom Triebwerk haben willst, tun ein paar Pixelfehler nicht weh, beim Startracker würde ich mehr Aufwand treiben. 

Ich glaube du solltest weniger Glauben und mehr über SEE lesen.

Nett, danke für den Hinweis. Worin liegt das Problem wenn ich sage "ich glaube"? Zwar kenne ich mich beruflich bedingt was CMOS-Technologie angeht denke ich relativ gut aus, aber wenn ich zu einem Zusammenhang eigene Vermutungen anstelle, kann ich schwerlich sagen: "ich weiß"..... 

Der klassisch auftretende Latchup-Effekt in CMOS-Transistoren ist freilich stets unerwünscht (weswegen CMOS-Transistoren ja u.a. auch eine Bodykontaktierung aufweisen), ist aber normalerweise kein "single-event"-Effekt.
Single-event latchups, die im Extremfall pro Event dann sogar ganze Pixelcluster betreffen können und sogar zu Pixelausfällen führen können, bestreite ich auch nicht. Dazu gibt es wissenschaftliche Veröffentlichungen, wie ich gesehen habe.
Die Frage ist und dazu habe ich nichts finden können, wie die statistische Verteilung derartiger Events ausschaut. Dass es da unablässig "blitzt", das kann ich mir weiterhin nicht vorstellen. 

Ich hatte mich im vorigen Post im Wesentlichen auf eine Power-Point-Präsentation bezogen, worin im Zusammenhang mit Strahlung/CMOS-Bildsensoren von "degradation", "hot-pixel" und teilweise erhöhtem Dunkelstrom gesprochen wurde.
Bleibe letztlich bei meiner Meinung, dass GoPro-Bildsensoren im LEO auch ohne Strahlungsschutz über das notwendige Zeitfenster hinweg arbeiten können und das Bildmaterial dann auch nicht zwangsläufig SW-Kompensation benötigt.
Da es aber eine persönliche Meinung bleibt. sollte ich lieber sagen "ich glaube weiterhin".

Sindd eigentlich die Leiter und Spulen aus Kupfer in der Raumfahrtelektronik?
Kohlefaser sind ja z.B. auch Leiter.

Normale Spulen und Leitungen sind auch aus Kupfer wie bei anderen Geräten auch.

Nett, danke für den Hinweis. Worin liegt das Problem wenn ich sage "ich glaube"? Zwar kenne ich mich beruflich bedingt was CMOS-Technologie angeht denke ich relativ gut aus, aber wenn ich zu einem Zusammenhang eigene Vermutungen anstelle, kann ich schwerlich sagen: "ich weiß"..... 

Das ist vollkommen richtig. Wissenschaft ist zu einem grossteil auch nur Vermutung. Aber eine Vermutung anzustellen, das es keine sofortigen Bauteilausfälle gibt und keine SEE einen Pixelflash erzeugen kann, direkt nach dem Post, in dem ich das Gegenteil darstelle finde ich interessant. Auch wenn ich zugegebener Weise keine Beweise anführe.

BTW ich glaube du verwechselst SEL mit SET/SEU.

Und das es dauerhaft "Blitzt" ist tatsächlich unwahrscheinlich, wobei ich schon Tests gesehen habe die darauf schliessen lassen, das ein bestimmtes Bauteil bereits bei geringer Energie nur noch totalen murks machen wird. Jetzt ist es aber so, das die Energie die ein Bauteil abbekommt von vielen Faktoren abhängt, z.B. Sonnenaktivität, Höhe, Position. Kann also sein, das ein Bauteil wochenlang gut tut, um dann bei relativ "kleinen"  Sonnenstürmen über Tage hinweg auszufallen.

Das heißt also die größte Gefahr für die Elektronik ist die Strahlung. Die Gefährdung/Wahrscheinlichkeit von Strahlungsteilchen getroffen zu werden, würde vom LEO bis zum GEO und über den Van-Allen-Gürtel hinaus zunehmen (bei Annahme das die Sonnenaktivität gleich bleibt).

Das Temperaturschwankungen (im Sonnenlicht, außerhalb des Sonnenlichts) die auf die Materialien der Elektronik wirken sind aber ab LEO bis Mond gleich?

Werden ausschließlich strahlungsgehärtete Bauteile eingesetzt oder setzt man wenn es geht eher auf Redundanz?

Ich habe einen Bericht und anschließend das dazugehörige Video gefunden in der im April 2015 eine GoPro für den Außenbord-Einsatz an der ISS durch Terry Virts verwendet wurde.
Meist lese ich, dass nur der An- und Ausschalter für die einfachere Bedienung von GoPro modifiziert wurde. Wäre natürlich interessant ob die Kamera in einer speziellen Hülle verpackt war. Die Kamer hat über ein Stunde Bilder vom Außenbordeinsatz geliefert:

https://www.youtube.com/watch?v=fyvE_B9RxgQ

Das heißt also die größte Gefahr für die Elektronik ist die Strahlung. Die Gefährdung/Wahrscheinlichkeit von Strahlungsteilchen getroffen zu werden, würde vom LEO bis zum GEO und über den Van-Allen-Gürtel hinaus zunehmen (bei Annahme das die Sonnenaktivität gleich bleibt).

Das trifft für hochenergetische Teilchen zu. Für die "trapped Protons" im Magnetfeld ist es so, dass diese direkt im Magnetfeld sind, also der LEO besonders betroffen ist. Allerdings sind diese Protonen nicht für alle Bauteile ein Problem, wenn ich das richtig weiss, fordert die ESA Tests gegen Protonen nur für Bauteile die bei SEE Tests empfindlich sind für Strahlung unter LETth von 15 (MeVcm^2/mg).

Das Temperaturschwankungen (im Sonnenlicht, außerhalb des Sonnenlichts) die auf die Materialien der Elektronik wirken sind aber ab LEO bis Mond gleich?

Vereinfacht hat die Umgebung des Satelliten von LEO bis Mond die selbe Temperatur. Aber die Frage ob der Satellit dauerhaft in der Sonne ist oder nicht unterscheidet sich, genauso wie im LEO bei Umlaufzeiten von ~2h 12 Temperaturzyklen durch Sonne auf der Oberfläche pro Tag zusammen kommen, während ein Satellit der auf der selben Bahn Geostationär wäre nur einen Zyklus pro Tag hätte. Die GEO-Sats sind allerdings auch soweit von der Erde weg, das man den kaum einrechnen muss, weil die Erde unterhalb des Satelliten zwar ~12h Schatten hat, der Satellit aber nahezu immer in  der Sonne ist (je nach Datum zwischen 22,5h und 24h).

Jedes Bauteil hat eine andere Temperatur durch die Tatsache, dass die eigen erzeugte Wärme nur über die Struktur nach aussen geführt wird, weil ohne Luft auch keine Konvektion. Aufgrund der Packdichte des Satelliten wärmt sich die Struktur auch über benachbarte Geräte. Ich meine hier im Forum mal gelesen zu haben, das viele GEO-Satelliten im inneren relativ konstant nahe Raumtemperatur halten im nominalen Betrieb. Aber für ein Bauteil direkt an der Satellitenoberfläche eines LEO-Sats sind die Schwankungen sehr gross. 

Werden ausschließlich strahlungsgehärtete Bauteile eingesetzt oder setzt man wenn es geht eher auf Redundanz?

Zunächst Strahlungshärtung bezüglich SEE für einzelne Bauteile ist immer auch eine Form der Redundanz innerhalb des Bauteils.
Ansonsten hängt es von vielen Faktoren ab die in einer Kosten-Nutzen Rechung zusammengestellt werden müssen.

Wenn du einen Telekommunikatiossatellit in den GEO schickst, ist eher alles "gehärtet", während ein experimenteller Satellit einer Hochschule auch mal nahezu auschliesslich mit kommerzieller Technik gebaut wird.