JUICE-Mission zum Jupiter: Elektronische Schaltung der Universität Stuttgart an Bord

Am Freitag, 14. April 2023, um 14:14 Uhr (MESZ) soll eine Ariane 5-Rakete die Weltraumsonde „JUpiter ICy Moons Explorer“ (JUICE) der ESA vom Weltraumbahnhof in Französisch-Guayana ins All bringen. Der ursprünglich für Donnerstag, 13. April, geplante Start musste kurzfristig wegen der Gefahr von Blitzschlägen verschoben werden. JUICE wird nach einer langen Reise ab Juli 2031 den riesigen Gasplaneten Jupiter und seine eisigen Monde Ganymed, Callisto und Europa untersuchen, unter deren dickem Eis sich wasserhaltige Ozeane verstecken. 

Eines der zehn hochmodernen, wissenschaftlichen Instrumente auf der Sonde ist das sogenannte Submillimetre Wave Instrument (SWI) des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung. Das Institut für Elektrische und Optische Nachrichtentechnik (INT) der Universität Stuttgart hat für dieses Instrument einen strahlungsharten Analog-Digital-Umsetzer entworfen, der ein zentrales Element des Basisband-Empfängers eines sogenannten Chirp-Transformationsspektrometers darstellt. Mit Hilfe dieses Spektrometers wird das SWI die Galileischen Monde und die mittleren Jupiter-Atmosphäre untersuchen und Daten für die Erkundung möglicher bewohnbarer Zonen auf Ganymed, Europa und Callisto liefern. Der Start der Rakete wird im ESA-Livestream übertragen.

Beim Entwurf der Umsetzer musste vor allem die harte Weltraumstrahlung in der Umgebung des Jupiters berücksichtigt werden, welche die empfindliche Elektronik stört. Dabei treffen hochenergetische Strahlungsteilchen auf die integrierten Schaltkreise und erzeugen Elektron-Loch-Paare, welche logische Zustände („Nullen und Einsen“) in der Schaltung zum Kippen bringen können. Damit würde die Schaltung fehlerhafte Informationen liefern. Durch die Strahlung können sogar Kurzschlüsse in der Spannungsversorgung ausgelöst werden - ein sogenannter Latchup-Effekt, ein parasitärer Thyristor wird durchgeschaltet. Das würde zu einem Ausfall des Instruments führen. Durch schaltungstechnische Kniffe und einen an den Latchup angepassten Maskenentwurf konnte der am INT entwickelte Analog-Digital-Umsetzer gegen diese Auswirkungen der Weltraumstrahlung gehärtet werden.