Rosjanie stworzyli półprzewodniki w kosmosie. Unikalny eksperyment wypalił

Na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej rozpoczęła się nowa era badań nad materiałami elektronicznymi. Rosyjscy kosmonauci po raz pierwszy w historii zsyntetyzowali półprzewodniki w przestrzeni kosmicznej. Eksperyment może wyznaczyć kierunek przyszłej produkcji mikroelektroniki poza Ziemią.

Podczas drugiego spaceru kosmicznego w 2025 roku Siergiej Ryżykow i Aleksiej Zubricki odzyskali kasetę z wyhodowanymi kryształami, które powstały w ramach rosyjskiego projektu Ekran-M. Urządzenie do ich wytwarzania zainstalowano na zewnętrznej części rosyjskiego segmentu ISS w połowie października.

Zadaniem eksperymentu jest zbadanie, jak warunki kosmiczne wpływają na proces wzrostu krystalicznych warstw półprzewodnikowych. To pierwszy taki projekt od czasu, gdy po katastrofie wahadłowca Columbia w 2003 roku Stany Zjednoczone wstrzymały swoje badania nad syntezą materiałów w przestrzeni kosmicznej.

Projekt Ekran-M – laboratorium na orbicie

System badawczy Ekran-M został opracowany w Instytucie Badań i Rozwoju Południowego Syberyjskiego Oddziału Rosyjskiej Akademii Nauk. W projekcie uczestniczą również Energia Rocket and Space Corporation oraz Electron Research and Production Company z Krasnojarska.

Cały sprzęt, w tym podgrzewacz podłoża, źródła molekularne i mechanizm transferu, zaprojektowano od nowa, aby umożliwić działanie w warunkach mikrograwitacji. Aparatura waży ponad 100 kilogramów i została zainstalowana na zewnętrznej części stacji za pomocą europejskiego ramienia robotycznego ERA.

Eksperyment obejmuje dwa cykle wzrostu materiału, które mają posłużyć do przetestowania sprzętu i analizy uzyskanych wyników. W pierwszym etapie wykorzystano proces homoepitaksji, w którym warstwa krystaliczna rozwija się na podłożu o identycznym składzie chemicznym. Materiałem bazowym jest arsenek galu – półprzewodnik szeroko stosowany w laserach, ogniwach słonecznych i układach elektronicznych o dużej mocy.

Synteza w próżni kosmicznej

Technologia epitaksji z wiązek molekularnych (MBE), używana w eksperym

encie, wymaga wyjątkowo wysokiej próżni. Na Ziemi utrzymanie takiego środowiska wymaga skomplikowanych i kosztownych instalacji. Każdy pierwiastek jest osadzany w osobnej komorze, aby uniknąć zanieczyszczeń.

W przestrzeni kosmicznej naturalna próżnia eliminuje wiele ograniczeń technologicznych. Umożliwia to osadzanie różnych pierwiastków w jednej komorze, co znacząco upraszcza proces. Badacze podkreślają jednak, że mikrograwitacja wcale nie gwarantuje stabilności. Stacja kosmiczna nieustannie doświadcza mikrowstrząsów, które mogą zakłócać proces formowania struktur krystalicznych.

Odnalezienie sposobu na kontrolowanie tych zaburzeń jest jednym z kluczowych celów programu Ekran-M. Jeśli się powiedzie, możliwe będzie opracowanie metod produkcji ultraczystych półprzewodników, które przewyższą jakością materiały tworzone w ziemskich laboratoriach.

Jedyny taki eksperyment na świecie

Obecnie rosyjski projekt Ekran-M jest jedynym aktywnym programem badań nad wzrostem półprzewodników w przestrzeni kosmicznej. Po wycofaniu amerykańskich misji eksperymentalnych to Rosja przejęła inicjatywę w dziedzinie kosmicznej mikroelektroniki.

Dane zebrane podczas eksperymentu zostaną przeanalizowane przez specjalistów z instytutów badawczych w Nowosybirsku i Moskwie. Naukowcy planują porównać właściwości wyhodowanych kryształów z analogicznymi próbkami powstałymi na Ziemi. Wyniki tych analiz będą miały znaczenie dla przyszłych misji przemysłowych w kosmosie, w których produkcja wysoko zaawansowanych materiałów może stać się ekonomicznie uzasadniona.

Przemysł półprzewodnikowy na orbicie

Produkcja półprzewodników w przestrzeni kosmicznej może w przyszłości stać się nową gałęzią przemysłu. W warunkach braku grawitacji procesy krystalizacji przebiegają w sposób bardziej uporządkowany, co pozwala uzyskać struktury o wyższej czystości i mniejszej liczbie defektów.

Jeśli eksperyment zakończy się sukcesem, możliwe będzie projektowanie modułów badawczych przeznaczonych wyłącznie do hodowli materiałów elektronicznych poza Ziemią. Dla sektora kosmicznego oznaczałoby to przełom – satelity, systemy komunikacji i urządzenia fotowoltaiczne mogłyby być produkowane bezpośrednio w środowisku, w którym mają pracować.