Electrónica resistente a la radiación nuclear

Ingenieros de la Universidad de Utah han desarrollado microscópicos dispositivos mecánicos que son capaces de soportar una intensa radiación nuclear, o temperaturas extremas. El objetivo es que sean utilizados en los circuitos de robots (u ordenadores) expuestos a la radiación que se encuentra en el espacio, o para operar durante desastres o ataques nucleares. Los investigadores mostraron a estos dispositivos trabajando en equipos, a pesar de la intensa radiación ionizante y el calor, logrados por inmersión (durante dos horas) en el núcleo del reactor de la Universidad de Utah. También construyeron algunos circuitos sencillos con estos dispositivos, dando lugar a un nuevo concepto en “puertas lógicas” basadas en MEMS.

La radiación ionizante puede freír rápidamente cualquier circuito electrónico, por lo tanto, es necesario utilizar un blindaje muy específico y especial en los robots que se utilizan para este tipo de tareas. Un ejemplo reciente es el caso de los utilizados en las múltiples situaciones de crisis que se vivieron en la planta de energía nuclear Fukushima Daiichi, después de la catástrofe de Japón, durante 2011, luego de un devastador tsunami. “Los robots que fueron enviados para intentar controlar los reactores con problemas, dejaron de funcionar después de algunas horas debido a fallos eléctricos provocados por la radiación“, expresa Massood Tabib-Azar, Profesor de Ingeniería Eléctrica e Informática en la Universidad de Utah, quien es parte de esta iniciativa de investigación. “Hemos desarrollado una tecnología única, que sigue trabajando en presencia de radiaciones ionizantes, proporcionando potencia de cálculo para infraestructuras críticas en sistemas de defensa. Nuestros dispositivos también se pueden utilizar en aplicaciones espaciales, con presencia de radiación ionizante cósmica y pueden ayudar a las futuras tecnologías robóticas, en su tarea de controlar reactores nucleares en situaciones de emergencia, sin degradación, ni fallos.”

Los nuevos dispositivos son sencillas “puertas lógicas” que realizan operaciones clásicas, tales como “AND” o “NOT” y su construcción se basa en un tipo de dispositivo conocido como MEMS o “sistemas micro-electro-mecánicos”. En la electrónica convencional, cada puerta utilizaría entre 6 y 14 interruptores hechos de componentes de silicio convencionales. En este nuevo desafío tecnológico, los sistemas MEMS pasan a reemplazar los transistores de conmutación clásicos que encontramos en cada puerta lógica. El desarrollo de esta tecnología permitirá construir circuitos tales como sumadores y/o multiplexores, según expresa un estudio creado para la revista “Sensors and Actuators”. Tabib-Azar cuenta además, que si él puede conseguir más fondos para la investigación, el siguiente paso sería construir un pequeño ordenador (al menos elemental) con las puertas lógicas y los circuitos desarrollados. El estudio es financiado por DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) y  “su objetivo principal es mantenernos preparados”, comenta Tabib-Azar. “Si hay un evento nuclear tenemos que ser capaces de tener sistemas de control, por ejemplo, para los radares. Hay muchas aplicaciones de defensa, tanto en tiempo de paz como de guerra, que requieren de equipos que puedan operar en la presencia de las radiaciones ionizantes”.

En el mes de Abril, DARPA hizo un llamado para el desarrollo de robots que sean capaces de trabajar, sin ser afectados por radiación ionizante, en la búsqueda de evitar la exposición humana a niveles mortales de radiación. En mayo, la NASA expresó también que estaba buscando propuestas de nuevos escudos, o materiales capaces de resistir la radiación en el espacio. “Los circuitos construidos con estos nuevos dispositivos también pueden resistir el intenso calor de los motores para controlar su desempeño durante su operación”, manifestó Tabib-Azar.  Las actuales tecnologías resistentes a la radiación, se clasifican en dos categorías: una que utiliza los tradicionales circuitos de lógica CMOS, blindados con plomo u otros metales y otra que emplea diferentes materiales eléctricos que manifiestan ser resistentes a la radiación. “Los materiales y dispositivos electrónicos, por su naturaleza de funcionamiento, requieren de un canal semiconductor para transportar la corriente, y este canal es controlado por las cargas“, cuenta Tabib-Azar. La radiación crea una corriente en el interior del canal semiconductor “que interrumpe la capacidad del circuito para controlar la corriente en forma normal, por lo que la señal se pierde.” Las puertas lógicas basadas en tecnología MEMS, no son degradadas por la radiación ionizante, ya que carecen de canales de semiconductores por donde transiten cargas eléctricas. A cambio de esto, hay electrodos que se tocan entre sí, actuando como un interruptor.

No todo es beneficio y los MEMS tienen sus inconvenientes. La electrónica de silicio es 1.000 veces más rápida, mucho más pequeña y más confiable porque no tiene partes móviles. Sin embargo, los investigadores afirman que con el empleo de MEMS se reduce la cantidad de elementos activos en un factor de 10 (ya no se necesitan transistores) y en consecuencia, la velocidad aumenta. Además, utilizando una técnica que permite formar huecos muy estrechos para construir los MEMS, se puede alcanzar a activar estos dispositivos con tensiones muy pequeñas, en el orden de 1,5 Volts o menos. A diferencia de la electrónica convencional, que se calientan durante el uso, estas son puertas lógicas frías donde existe menor pérdida energética por corrientes de fuga y que permitirán más tiempo de funcionamiento con pequeñas baterías. Cada puerta lógica mide alrededor de 25 por 25 micrones (millonésima de un metro), lo que podría poner a cuatro de ellas en la sección transversal de un cabello humano y su espesor es de apenas medio micrón.  Las puertas, tienen cada una dos “puentes” (Bridges), que parecen algo así como dos pequeñas láminas microscópicas que se cruzan para formar un patrón de TA-TE-TI (tic-tac-toe), con electrodos de tungsteno en el cuadro central. Cada puente está hecho de un aislador de nitruro de silicio con poli-silicio en la parte inferior de la estructura para dar rigidez al sistema. El aislador está grabado y cubierto por tiras metálicas de tungsteno que sirven como electrodos.

El equipo de investigación puso a trabajar a estas puertas lógicas y a sistemas convencionales de silicio, con el resultado de que las basadas en MEMS siguieron trabajando, luego de ser expuestas en repetidas ocasiones dentro y fuera del calor extremo y la radiación, mientras que el silicio pasó a “un cortocircuito en cuestión de minutos.” En tres oportunidades los investigadores  colocaron los dispositivos durante dos horas en el núcleo del Reactor experimental de la Universidad (TRIGA, de 90 kilovatios), con cables protegidos hasta la sala de control, desde donde pudieron controlar su aplicación, sin detectar fallas en las puertas lógicas. Los investigadores también hicieron ensayos fuera del reactor, durante dos meses sin fallos. Pero para lograr un mejor producto aún, Tabib-Azar quiere mejorar la fiabilidad en un millón de veces. Una nueva aplicación para los MEMS, ahora, en puertas lógicas.