Microxips molt prims per aplicacions extremes de la ciència

A mesura que les naus espacials de la NASA van explorar més profundament l'espai, a l'ordinador de bord, l'electrònica no només havia de ser més petita i més ràpida, sinó també estar preparada per a condicions extremes. Un primer exemple es mostra en les següents imatges: una família de circuits integrats d'aplicació específics, o ASIC, que són microxips dissenyats específicament per mesurar les partícules en l'espai, ja que la pròpia matèria pot crear riscos de radiació en els equips del satèl·lit.

Aquests xips diminuts i resistents a la radiació, juguen un paper crucial dins d'un dels instruments d'electrònica, envoltats de radiació de la nau espacial Juno de la NASA -que va entrar a l'òrbita de Júpiter el passat 4 de juliol de 2016-. Els microxips a bord de Juno són part de l'Energètic Detector Instrument de partícules de Júpiter o JEDI, un instrument d'avantguarda que mesurarà la composició del sistema magnètic que envolta l'immens planeta, anomenat magnetosfera.

Els ASIC mesuren la velocitat, l'energia i la posició de les partícules i fotons a l'espai amb precisió i el temps d'inactivitat, amb una precisió d'una fracció d'una bilionèsima part d'un segon. El xip més gran, només té la mida d'una galeta de soda. Sense aquests xips, l'electrònica del satèl·lit seria molt més pesada i requeriria molt més blindatge i potència el que vol dir, més problemes potencials per als satèl·lits que viatgen per l'espai.

Nikolaos Paschalidis va desenvolupar per primera vegada l'ASIC quan treballava al Laboratori de Física Aplicada de la Universitat Johns Hopkins a Laurel, Maryland. Gran part dels seus primers treballs, es van centrar en la miniaturització dels instruments i sistemes amb tecnologies avançades com l'electrònica espacial en un microxip.

Paschalidis és el cap de tecnologia d'heliofísics a Goddard. L'Heliofísica, és l'estudi del Sol i com aquest afecta a les partícules i l'energia de l'espai. Lluny de ser buit, l'espai que envolta els planetes està ple de partícules que es mouen molt ràpidament i un sistema electromagnètic complex, sovint impulsats pel sol. A prop de Júpiter, aquest sistema inclou una intensa aurora i cinturons de radiació que envolten el gegant gasós. 

Una millor comprensió d'entorn espacial d'un planeta ens ajuda a comprendre com es va formar i com segueix evolucionant. D'altra banda, ens ajuda a aprendre més sobre com preparar la nau espacial per viatjar a través de tals condicions de radiació dures. 

Juno no és la primera nau espacial que porta aquests microxips. Els ASIC s'han incorporat en moltes altres missions de la NASA per estudiar una àmplia gamma d'entorns d'espai d'aprop del sol fins al cor dels cinturons de radiació de la Terra fins a la vora del sistema solar. No obstant això, la missió Juno requereix un avanç significatiu en el rendiment de l'ASIC sobre l'electrònica de vols espacials anteriors: els ASIC de Juno, han estat especialment concebuts per a ser resistents a la radiació, el que els permet suportar les dures condicions, la radiació de la magnetosfera de Júpiter on les partícules d'alta energia bombardegen constantment objectes i dipositen grans dosis de radiació.

Font: NASA

Transistors amb nanocristalls

El transistor és el bloc de construcció fonamental de l'electrònica, que s'utilitza per construir circuits capaços d'amplificar senyals elèctrics o canviar-los entre els dígits 0 i 1 del llenguatge digital. La fabricació d'un transistor és un procés molt complex, i requereix una alta temperatura en l'equip de buit.

Ara, enginyers de la Universitat de Pennsylvania han mostrat un nou enfocament per a la fabricació d'aquests dispositius: dipositar seqüencialment els seus components en forma de líquids de nanocristalls: inks.

El seu nou estudi obre la porta del perquè els components elèctrics que es construiran per aplicacions seran més flexibles o portàtils. Com que el procés de baixa temperatura és compatible amb una àmplia gamma de materials pot ser aplicat a àrees més grans.

Els transistors d'efecte de camp basats en nanocristalls eren usats igual: els suports de plàstic flexibles portaven recobriment, però amb el temps, podien ser construïts amb sistemes de fabricació d'additius, com per exemple les impressores 3D.

L'estudi va ser dirigit per Cherie Kagan; el professor J. Angello Esteban de la Facultat d'Enginyeria i Ciències Aplicades; i Ji-Hyuk Choi ara un investigador sènior a l'Institut Coreà de Geociències i Recursos Minerals. Han Wang, Soong Dj Ah, Taejong Paik i Pil Sung Jo del laboratori de Kagan van contribuir a l'obra. Ells van col·laborar amb Christopher Murray, un professor de Coneixement. 

Els investigadors van començar prenent nanocristalls (o partícules a nanoescala més o menys esfèriques), amb les qualitats elèctriques necessàries per a un transistor i la dispersió d'aquestes partícules en un líquid.

El grup de Kagan va desenvolupar una llibreria de quatre d'aquestes: un conductor (plata), un aïllant (òxid d'alumini), un semiconductor (selenur de cadmi) i un conductor combinat amb un dopant (una barreja de plata i d'indi). 
El "Dopatge" és la capa de semiconductor del transistor amb impureses controlades d'acord a si el dispositiu transmet una càrrega positiva o negativa.

Les propietats elèctriques de diversos d'aquests nanocristalls havien estat verificades de forma independent, però mai havien estat combinades en dispositius complets.
Aquest és el primer treball, que demostra que tots els components: els metàl·lics, els aïllants i les capes semiconductores dels transistors (i fins i tot el dopatge del semiconductor), es podria fer de nanocristalls.

Tal procés implica l'estratificació o la barreja en patrons precisos. En primer lloc, el nanocristall conductor de plata es diposita a partir de líquid sobre una superfície de plàstic flexible, que es tracta amb una màscara fotolitográfica. Després, la màscara s'elimina per deixar el nanocristall de plata en forma d'elèctrode del transistor. Els investigadors van seguir en aquesta capa fent el recobriment per rotació amb una capa d'aïllant a base de nanocristalls d'òxid d'alumini. A continuació, una capa del semiconductor a força de nanocristall de seleniur de cadmi i finalment una altra capa d'emmascarament per la barreja d'indi/plata, que forma el drenatge del transistor elèctrodes. Després de l'escalfament a temperatures relativament baixes, el dopant d'indi es difon des dels elèctrodes en el component semiconductor.

Font: phys.org

La revolució de l'electrònica en els sistemes d'energia

Què és el poder? En les interaccions humanes, el terme sovint es refereix a la força física, però també es parla del poder de la informació com una manera de donar forma i dirigir el curs dels esdeveniments. El poder és la capacitat d'impactar al món en dues formes materials i immaterials - a través de la intel·ligència i dels músculs; cervell i músculs. Això mateix també té sentit en la forma en que l'electrònica ha reformat el sistema energètic.

Va ser la invenció del transistor quan el seu primer ús en la dècada del 1950 va donar inici a la revolució de l'electrònica. Més tard, els primers circuits integrats i microprocessadors van arribar al mercat i això va desencadenar una carrera per construir ordinadors més potents gràcies a la utilització dels semiconductors. La informació i les tecnologies de la comunicació (TIC) van passar a tenir un paper important a la vida quotidiana. Alhora, els transistors -utilitzats per exemple en unitats industrials amb tiristors- van permetre l'inici de la substitució dels tubs d'arc de mercuri per sistemes d'alta tensió (HVDC).

El següent avanç tecnològic per l’HVDC -va ser l'Isolate Gate Bipolar Transistor (IGBT) per treballar en molt altes tensions i també elevades corrents durant la dècada de 1990. De fet es van utilitzar en els parcs eòlics d'alta mar per connectar la xarxa amb les unitats industrials de mitjana tensió. Ells són el múscul en els sistemes de procés ja que aquestes unitats es poden apilar com blocs de construcció compacta en les terminals d'AC/DC. Al 2010, els 75 quilòmetres/400 megawatts de l'enllaç amb cable Trans Bay a San Franciso, va ser el primer sistema HVDC important en utilitzar IGBT, l'objectiu era el desenvolupament d'un nou disseny de bloc per permetre una mida compacta del terminal d'AC/DC. Aquesta topologia HVDC d'avantguarda es va fer per l'alt poder de còmput dels microprocessadors moderns necessaris per al control i la supervisió. En el mateix any, el sistema de Ultra DC d'alta tensió innovador de Siemens va començar a distribuir 5.000 megawatts a través de 1.418 quilòmetres al sud de la Xina.

Fa més de 25 anys, les targetes controladores ja eren difícils de manejar. Era necessari que les rutines del programari d'aquests microcontroladors fossin utilitzades com el cervell dels esquemes de control avançats, demostrant una vegada més com els enginyers d'energia tendeixen a prendre les millors solucions en aquest dominis i, també, integrar-los en les seves pròpies aplicacions en xarxes o centrals elèctriques. Per aquests components la funció en totes les circumstàncies, requereix d'una gran quantitat de coneixements tècnics. Els sistemes que utilitzen l'electrònica per a la informàtica han de ser dissenyats per satisfer les altes expectatives.

Encara que la majoria dels aparells de les TIC i la llar depenen de l'electrònica, la majoria dels consumidors no són conscients del seu paper o rol. Aquests components estan al nostre voltant, realment són necessaris per les aplicacions industrials, trens interurbans, turbines de vent, o els transformadors de la xarxa i els dispositius d'emmagatzematge.

Ben segur que el futur portarà una major eficiència a les àrees de disseny de semiconductors amb topologies de convertidors. La recerca se centra en nous substrats que van més enllà de silici, i durant els propers anys és probable que es vegi més transport i distribució de corrent continua gràcies a l'electrònica de potència.

A més del desenvolupament de sistemes de control també es dedica al desenvolupament i fabricació de forma selectiva dels semiconductors, com tiristors per als sistemes HVDC. I, per descomptat s'apliquen components inclosos en els desenvolupats que s'involucren en negocis conjunts en què es pot preveure una prometedora i compacta tecnologia ben robusta.

La revolució de l'electrònica de potència permetrà grans quantitats d'energia de transport a grans distàncies amb una alta eficiència, la inter-connexió dels mercats i permetre un equilibri de les càrregues.

Font: Siemens

Consoles informàtiques de LEGO totalment funcionals

La meitat de la diversió de jugar amb Lego és construir les teves creacions però l'altra meitat és fer servir la imaginació per donar vida a les construccions i sentir-se per exemple dins d'un coet, d'un cotxe de carreres o de l'estació espacial. Un talentós artista anomenat Amor Hultén va decidir que la imaginació no era suficient i va transformar les consoles d'ordinador clàssiques de Lego en electrònica funcional i de mida real.

Hultén va veure que totes les consoles d'ordinador que tenia Lego eren estàtiques amb pantalles pintades i botons que no podien ser accionats. Per això, aquestes noves recreacions de mida natural, fetes de fusta, acrílics, i per descomptat amb tot tipus d'electrònica, tenen de tot, permeten jugar amb oscil·loscopis i a emuladors de videojocs controlats per peces gegants de Lego.

Les creacions també ajuden a recordar el difícil que ha de ser la vida per als minifigs que utilitzem quan fem les nostres creacions amb Lego. 

Fotos per amor Hultén