Strahlung im Weltraum killt Daten, Bit für Bit. Ein Team am Georgia Institute of Technology hat einen Speicherchip gebaut, der das nicht mehr zulässt — mit einem physikalischen Trick aus den 1920ern.
Asif Khan und Lance Fernandes vom Georgia Institute of Technology haben einen NAND-Flash-Speicher entwickelt, der Strahlendosen von bis zu einer Million Rad standhält. Das entspricht 100 Millionen Röntgen-Thorax-Aufnahmen und ist 30-mal mehr, als herkömmlicher Flash-Speicher verkraftet. Ihr Trick: Sie ersetzen die angreifbare elektrische Ladung durch ein Phänomen aus dem frühen 20. Jahrhundert.
Die Arbeit kommt zur rechten Zeit. Je weiter eine Sonde von der Erde entfernt ist, desto länger dauert es, Befehle zu senden und Daten zu empfangen. Zum Mars sind es 4 bis 24 Minuten. Zum Jupiter 33 bis 54 Minuten. Zum Saturn 68 bis 84 Minuten. Jenseits des Neptun sind es Stunden. Künftige KI-Systeme an Bord der Sonden sollen Bilder sortieren und Prioritäten setzen. Dafür brauchen sie Speicher, der nicht nachgibt.
Wie Strahlung Daten killt#
Herkömmlicher NAND-Flash speichert Daten als elektrische Ladung. Winzige Mengen an Elektronen werden in isolierten Zellen eingeschlossen. Solange sie dort bleiben, bleibt das Datum erhalten. Das Problem: Strahlung kann diese Ladung einfach wegstoßen. Ein einzelnes hochenergetisches Teilchen (ein Proton oder ein schweres Ion) kann genug Energie übertragen, um die Zelle zu leeren oder ihren Zustand zu kippen.
In der erdnahen Umlaufbahn reicht der magnetische Schutz der Erde, um die Schäden in Grenzen zu halten. Sobald eine Sonde diesen Schutzschild verlässt, steigt die Belastung drastisch. Die Jupiter-Sonde Juno zum Beispiel bewegt sich in einer extremen Strahlungsumgebung. Ihre empfindliche Elektronik steckt in einem etwa einen Zentimeter dicken Titanpanzer. Trotzdem altern die Komponenten schneller als geplant.
Die Lösung kommt aus einem physikalischen Prinzip, das schon vor über einem Jahrhundert entdeckt wurde. Für die Chip-Industrie kam das überraschend.
Ein physikalischer Trick aus den 1920ern#
Khans Ansatz nutzt Ferroelektrizität. In bestimmten Materialien kann eine permanente, spontane elektrische Polarisation entstehen. Ähnlich wie bei einem Magneten, nur mit elektrischen statt magnetischen Feldern. Diese Polarisation ist extrem stabil. Selbst wenn energiereiche Teilchen durch das Material rasen, bleibt sie erhalten.
Die Forscher haben NAND-Flash-Zellen aus ferroelektrischen Materialien hergestellt. Statt Daten als eingeschlossene Ladung zu speichern, speichern sie sie als Ausrichtung dieser Polarisation. Das ist kein gradueller Unterschied. Es ist ein fundamental anderer Ansatz.
“Wenn man herkömmlichen Flash-Speicher ins All schickt, kann die Strahlung die eingeschlossene elektrische Ladung leicht zerstören”, erklärt Khan. “Ferroelektrischer NAND-Flash speichert Daten dagegen als Polarisation im Material. Und Polarisation ist extrem widerstandsfähig gegen Strahlung.”
Das klingt vielversprechend, aber Theorie und Praxis klaffen in der Halbleiterentwicklung oft weit auseinander. Die entscheidende Frage: Hält das Material auch unter realen Bedingungen stand?
Getestet in der härtesten Umgebung#
Khan und Fernandes stellten die Chips im Reinraum der Georgia Tech her und schickten sie zu Strahlungstests an die Pennsylvania State University. Die ferroelektrischen Zellen überlebten Dosen von bis zu einer Million Rad. Das entspricht der typischen Gesamtbelastung einer Tiefraum-Mission über ihre gesamte Lebensdauer.
Das ist mehr als ein Laborexperiment. Es ist ein konkreter Bauplan für Speicher, der dort funktioniert, wo Reparatur unmöglich ist. Die nächsten Schritte sind absehbar: Integration in existierende Chipdesigns, Qualifikation für den Weltraumeinsatz und schließlich der Flug an Bord einer echten Mission. In fünf bis zehn Jahren, schätzen die Forscher, könnten die ersten ferroelektrischen Speicher ins All starten.
Wer einmal eine Mondfinsternis fotografiert hat, weiß: Der eine Schuss muss sitzen. Bei einer Sonde am Jupiter gibt es keine zweite Chance. Ferroelektrischer Flash macht die Daten haltbar, die wir sonst vielleicht nie bekommen hätten.
Die Studie wurde im Fachjournal Nano Letters veröffentlicht.
Quellen: