El nuevo transistor todavía funciona a 600 grados centígrados

Los transistores son los componentes básicos de toda la electrónica. Conmutan y amplifican señales eléctricas, y miles de millones de ellas trabajan juntas en un procesador moderno. Casi todos están hechos de silicio, un material con una debilidad crucial: a medida que aumenta la temperatura, los electrones en el cristal ganan tanta energía que fluyen hacia donde deberían quedarse atrapados. El transistor pierde su controlabilidad, las corrientes de fuga aumentan y el componente queda inutilizable. Esto no importa para los dispositivos cotidianos porque rara vez superan los 100 grados. Ese es un límite estricto para los viajes espaciales. En Venus, la temperatura de la superficie es de unos 460 grados centígrados, con una presión de unas 90 atmósferas terrestres y una densa capa de dióxido de carbono.

Los aterrizajes hasta ahora muestran las consecuencias. Todas las sondas soviéticas Venera de los años 1970 y 1980 operaron sólo unas pocas horas antes de que fallara la electrónica. Venera 13 tiene el récord de mayor tiempo de supervivencia en la superficie de Venus con 2 horas y 7 minutos. Las sondas protegieron su tecnología informática en cámaras refrigeradas y resistentes a la presión, lo que cuesta mucho y, por tanto, supone un coste inicial. Desde principios del nuevo milenio, el carburo de silicio se considera la salida a este callejón sin salida. En este semiconductor compuesto, la distancia energética entre los electrones unidos y los que se mueven libremente es significativamente mayor que en el silicio, por lo que el material sigue funcionando como semiconductor y no como conductor, incluso cuando está caliente. Sin embargo, la aplicación práctica siguió siendo difícil.

Porque la capa de óxido es el verdadero problema

El nuevo componente es un transistor de efecto de campo de unión, o JFET para abreviar. En este diseño, la intensidad de un campo eléctrico controla la conductividad de un canal en el semiconductor. La alternativa más popular, el transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico, o MOSFET, se encuentra en teléfonos inteligentes y computadoras y requiere una capa de óxido extremadamente delgada como aislante. Esta capa es el punto débil del calor intenso porque envejece, atrapa cargas y genera señales de interferencia. El JFET funciona sin ellos y, por lo tanto, logra inherentemente un menor ruido. El diseño paga el precio en otros lugares: los JFET son más difíciles de escalar, razón por la cual rara vez se utilizan en la producción en masa y se limitan a aplicaciones especializadas.

Desde temperatura ambiente hasta 600 grados sin agrietarse.

Los investigadores diseñaron específicamente el componente para combatir los dos errores típicos de las altas temperaturas: la pérdida de controlabilidad y las corrientes de fuga. En las mediciones, el transistor funcionó normalmente en todo el rango desde temperatura ambiente hasta 1112 grados Fahrenheit o 600 grados Celsius. Lo importante no es sólo el valor máximo, sino que el comportamiento pueda predecirse en todo el rango. Un circuito cuyas características cambian cuando se calienta no se puede utilizar para la tecnología de medición, incluso si el componente no se destruye. Los autores señalan específicamente que las sondas de aterrizaje anteriores se limitaron a unas pocas horas gracias a la electrónica basada en silicio y clasifican su trabajo como parte del desarrollo de circuitos integrados de baja potencia para misiones a Venus.

¿Qué sería posible en Venus?

Una sonda cuyos componentes electrónicos puedan soportar la temperatura ambiente no requiere un recipiente a presión aislado ni refrigeración activa. Esto ahorra masa, y los ahorros se duplican porque una sonda más ligera requiere un cohete más pequeño. En lugar de horas, podrían concebirse series de mediciones a lo largo de días, semanas o estaciones enteras, por ejemplo sobre la velocidad del viento, los cambios de temperatura y la composición química de la atmósfera inferior. Precisamente estos datos a largo plazo faltan por completo en Venus, mientras que en Marte se dispone de series continuas de mediciones a lo largo de los años. La limitación es que un solo transistor en funcionamiento no crea un circuito: una sonda necesita memoria, amplificadores, transmisores y cables de conexión que puedan soportar el mismo calor, así como carcasas y puntos de soldadura.

Porque la tecnología también es necesaria en la tierra

El mercado mucho más grande para estos componentes no está en el espacio. El carburo de silicio ya se utiliza en la electrónica de potencia de los coches eléctricos, las turbinas eólicas y la tecnología ferroviaria, porque conmuta altas tensiones con bajas pérdidas. Además, la electrónica capaz de soportar varios cientos de grados iría directamente a las turbinas, las cámaras de combustión y la tecnología de perforación profunda, donde antes se utilizaban sensores refrigerados de forma compleja o soluciones mecánicas improvisadas. Los sensores que miden directamente en la parte caliente del motor en lugar de a una distancia segura proporcionan señales de control más rápidas y, por tanto, un menor consumo de combustible. Sin embargo, el camino desde un componente de laboratorio hasta el producto disponible es largo y de este trabajo no se pueden hacer afirmaciones sobre la disponibilidad para la producción en serie o la vida útil durante muchos años.