Misiones criogénicas de exploración espacial

La temperatura en el espacio exterior puede llegar a los doscientos cuarenta grados Celsius bajo cero en la órbita de Plutón, a ciento veinticinco bajo cero en la de Marte y a cincuenta bajo cero a una altitud de quinientos setenta kilómetros sobre la superficie de la Tierra, distancia a la que se encuentra, por ejemplo, el telescopio espacial Hubble. La electrónica convencional no está diseñada para funcionar a estas temperaturas.

Una idea propuesta para permitir el uso de la electrónica convencional en el espacio fue la adición de una fuente térmica que mantenga los dispositivos a una temperatura más alta que la del entorno. Sin embargo, esto parece poco práctico dado que se necesitaría más energía para hacer funcionar las fuentes térmicas. Otra consecuencia es que los dispositivos electrónicos serían así pesados, voluminosos y complejos.

Los investigadores del proyecto financiado con fondos europeos «Cryogenic electronics for space applications and research» (CESAR) hicieron un uso pionero de una tecnología llamada crioelectrónica. La crioelectrónica aporta una mayor conductividad térmica y eléctrica y un rendimiento general superior, y por tanto supone una solución más adecuada para sistemas utilizados en el espacio exterior.

En concreto, los magnetómetros (herramientas de medición de campos magnéticos) enfriados a temperaturas moderadas ofrecen una sensibilidad muy elevada en aplicaciones destinadas a la exploración espacial. Los detectores de rayos X pueden alcanzar una resolución espectral dos órdenes de magnitud superior que los basados en silicio (Si). En el ámbito del infrarrojo, las observaciones ejecutadas con bolómetros (medidores de la radiación electromagnética) se enfrentan a la sola limitación que supone el fondo fotónico de la luz zodiacal.

El empleo de estos detectores nuevos basados en crioelectrónica se veía obstaculizado también por la escasa disponibilidad de energía. Buena parte del presupuesto energético se destinaría a transmitir las señales registradas a dispositivos electrónicos en entornos más cálidos. Los investigadores de CESAR se propusieron diseñar dispositivos electrónicos capaces de funcionar para situarlos lo más cerca posible de los detectores.

Este equipo científico ensayó distintos componentes crioelectrónicos ya disponibles que aún no se habían probado y para los que no existía un manual de uso en estas condiciones. Su labor permitió comprobar, por ejemplo, que los transistores basados en el silicio-germanio superaban en prestaciones a los transistores convencionales de silicio a temperaturas superiores a los cien grados Kelvin.

A continuación definieron formas de crear diseños de circuitos complejos mediante tecnología de metal-óxido-semiconductor complementario (CMOS) capaz de funcionar a temperaturas cercanas a 4 Kelvin. Los circuitos crioelectrónicos mejoraron el rendimiento de los detectores debido a su capacidad para controlar la amplificación y también el filtrado de señales registradas y convertirlas de digital a analógico y viceversa.

Otras novedades incluyen la miniaturización, posibilidades de empaquetado y funcionalidades extendidas para la crioelectrónica. El proyecto CESAR mostró que para tratar de desentrañar los secretos del Universo se requiere una labor de ingeniería increíble en la Tierra. Los resultados fueron difundidos a través de la página web del proyecto y de una serie de talleres cuyo objetivo era explorar las oportunidades en los ámbitos del diagnóstico médico y de los sistemas magnéticos superconductores de almacenamiento de energía.