El papel crucial de los componentes semiconductores en las misiones espaciales
Desde el lanzamiento del primer satélite estadounidense, el Explorer 1 a bordo del misil Jupiter-C, los componentes de Microchip han demostrado su idoneidad para el espacio, cumpliendo con estrictos estándares de radiación y fiabilidad mientras se encuentran en el espacio exterior.
El papel de los componentes semiconductores en las misiones espaciales comenzó con los dispositivos de control de frecuencia, que fueron cruciales en las primeras misiones. El control de frecuencia, como los osciladores de cristal de cuarzo, los osciladores SAW controlados por tensión (VCSO) o los relojes atómicos, es fundamental en la electrónica de las misiones espaciales, ya que garantiza la transmisión y recepción precisas de señales, manteniendo la estabilidad de las comunicaciones, la integridad de los datos y la sincronización de los sistemas. Estos componentes fueron vitales para el éxito de la primera misión espacial estadounidense en 1958 y sentaron las bases de un legado de fiabilidad en el espacio. El alunizaje del Apolo 11 en 1969, uno de los mayores logros de la humanidad, también se basó en estas tecnologías. Microchip proporcionó un soporte de comunicaciones fundamental dentro del módulo lunar (LM) del Apolo 11 en la superficie de la Luna.
Los osciladores de rubidio, SAW y de cuarzo dan soporte a más comunicaciones militares, estaciones terrestres de satélites y aplicaciones de prueba y medida que cualquier otra referencia de frecuencia de precisión en el mundo.
La misión Voyager 1, actualmente el objeto fabricado por el hombre más alejado de la Tierra, demostró aún más el rendimiento inigualable de los semiconductores en el espacio. La electrónica de la Voyager 1 incluía una combinación de circuitos integrados lógicos de tiempo de vida (TTL, Time To Live) y de semiconductores complementarios de óxido metálico (CMOS), componentes analógicos, chips de memoria y semiconductores personalizados diseñados para hacer frente a los retos del espacio lejano. El ordenador principal del Voyager 1 utilizaba una CPU (unidad central de procesamiento) fabricada a medida llamada SPS-8, diseñada para la nave espacial por la NASA. Los chips lógicos TTL eran un tipo popular de circuito integrado digital en aquella época, mientras que ahora la mayoría de los circuitos integrados semiconductores se basan en CMOS.
En los últimos años, las tecnologías de semiconductores han sido fundamentales para la exploración de Marte. Los rovers Curiosity y Perseverance, que han proporcionado información inestimable sobre el Planeta Rojo, dependen de estos componentes para funcionar en el duro entorno marciano. El rover de Marte, concretamente el rover Perseverance, contiene varios componentes de Microchip Technology. Entre ellos se incluyen microcontroladores utilizados para diversos sistemas de control y tareas de procesamiento de datos, así como circuitos integrados de gestión de energía que son cruciales para gestionar de manera eficiente el suministro de energía a diferentes partes del rover. Todos estos son componentes resistentes a la radiación (Rad-Hard), lo que garantiza que la electrónica pueda soportar el duro entorno espacial. Estos componentes son esenciales para el funcionamiento del rover y le ayudan a realizar sus tareas científicas en Marte.
En cuanto a la exploración lunar, la misión Chandrayaan-3, la tercera misión de exploración lunar de la India, utilizó varios componentes semiconductores; estos componentes, como las FPGA resistentes a la radiación (RT), son cruciales para el éxito de la misión, ya que permiten la comunicación, la navegación y los experimentos científicos en la superficie lunar.
Las misiones Artemis en curso, cuyo objetivo es llevar de nuevo a los seres humanos a la Luna y, finalmente, enviarlos a Marte, también confían en el rendimiento y la fiabilidad probados de las tecnologías de semiconductores.
La importancia de la fiabilidad y el rendimiento en los programas espaciales
En el duro entorno del espacio, la fiabilidad y el rendimiento no solo son importantes, sino que son críticos. Los componentes semiconductores son el corazón de las misiones espaciales modernas, ya que alimentan todo, desde satélites y rovers hasta sistemas de comunicación y estaciones espaciales. Dadas las condiciones extremas del espacio —temperaturas extremas, radiación intensa y el vacío espacial—, los componentes deben funcionar a la perfección durante largos periodos de tiempo. Incluso el más mínimo fallo en un semiconductor podría provocar el fracaso de la misión, lo que pone de relieve la importancia de seleccionar componentes de gran fiabilidad.
El reto de la radiación en el espacio
El espacio está lleno de altos niveles de radiación, que pueden ser devastadores para los componentes electrónicos. Esta radiación puede degradar los materiales, provocar fallos eléctricos y corromper los datos que se transmiten. Por ejemplo, el entorno de radiación solar fuera de la atmósfera protectora de la Tierra puede exponer a los componentes a partículas energéticas que provocan perturbaciones de evento único (SEU, Single-Event Upset) o daños por dosis total de radiación.
Para hacer frente a estos retos, las técnicas avanzadas de endurecimiento frente a la radiación incluyen el uso de materiales especializados, como semiconductores resistentes a la radiación, y modificaciones de diseño que reducen la vulnerabilidad a la radiación. Por ejemplo, los microprocesadores de grado espacial utilizados en los ordenadores de a bordo suelen estar resistentes a la radiación por diseño (RHBD, Radiation-Hardened By Design ) para que un fallo no provoque la caída de todo el sistema.
Pruebas de resistencia para simular las condiciones espaciales
Además de la resistencia a la radiación, las empresas con una larga trayectoria en misiones espaciales han sido pioneras en rigurosos procesos de prueba y cualificación que garantizan la fiabilidad y el rendimiento de sus componentes. Estas pruebas van mucho más allá del control de calidad de fabricación habitual. Los semiconductores de grado espacial se someten a exhaustivas pruebas de ciclos térmicos, que simulan las amplias variaciones de temperatura en el espacio, desde el intenso calor del Sol hasta el frío glacial del espacio profundo. Un ejemplo son las pruebas de la NASA de los componentes del rover Perseverance de Marte, que experimentó oscilaciones de temperatura desde -55 °C a 125 °C, lo que exigía componentes capaces de soportar tales extremos sin fallar.
Los componentes también se someten a pruebas de vibración para simular las tensiones y vibraciones que se experimentan durante el lanzamiento. Las intensas fuerzas generadas durante los lanzamientos de cohetes no se parecen a nada de lo que se ve en la Tierra, por lo que los componentes semiconductores deben ser capaces de soportar estas condiciones sin comprometer su integridad. Por ejemplo, durante la misión del Apolo 11, los componentes electrónicos críticos se sometieron a pruebas de vibración para garantizar que sobrevivirían a las potentes fuerzas del lanzamiento, lo que contribuyó en última instancia al éxito del alunizaje.
Fiabilidad a largo plazo: ejemplos de la historia espacial
Las misiones espaciales requieren componentes que no solo funcionen durante la misión, sino que también sigan funcionando de forma fiable a lo largo del tiempo. La nave espacial Voyager 1, lanzada en 1977, es un ejemplo paradigmático de cómo la fiabilidad es crucial para las misiones de larga duración. Tras más de 40 años en el espacio, la nave sigue comunicándose con la Tierra, gracias a los componentes semiconductores que han sido endurecidos contra la radiación y sometidos a rigurosas pruebas para soportar condiciones extremas.
Otro ejemplo es la Estación Espacial Internacional (ISS), que depende de multitud de sistemas basados en semiconductores para mantener los sistemas de soporte vital, llevar a cabo experimentos científicos y mantener abiertas las líneas de comunicación. La ISS está constantemente expuesta al duro entorno de radiación del espacio, con temperaturas que oscilan entre +121 °C (de cara al Sol) y -157 °C (a la sombra) y, sin embargo, los componentes semiconductores a bordo deben funcionar de forma fiable día tras día.
El futuro de los componentes semiconductores en el espacio
A medida que la industria espacial sigue evolucionando con el auge de las constelaciones de órbita terrestre baja (LEO, Low Earth Orbit) y la creciente comercialización del espacio, también lo hace la demanda de componentes semiconductores fiables y de alto rendimiento. Las nuevas iniciativas espaciales requieren componentes que puedan hacer frente a retos únicos que combinan alta fiabilidad, innovación y objetivos orientados a la rentabilidad.
Frontera en expansión: la evolución del mercado espacial
Una tendencia creciente en la industria espacial es el mayor uso de dispositivos comerciales listos para usar (COTS), que proporcionan una solución rentable para las misiones espaciales debido a su disponibilidad inmediata. La red de satélites de Starlink aprovecha los componentes COTS para reducir costes y acelerar la producción. Muchos de los componentes electrónicos a bordo, especialmente para sistemas no críticos, dependen de estos componentes, que son económicos y han sido cuidadosamente seleccionados por su fiabilidad en entornos espaciales.
Un buen ejemplo es el lanzador europeo desarrollado con la ESA (Agencia Espacial Europea) y la CNES (Agencia Espacial Francesa), Ariane. El Ariane 5 (1985) estaba equipado con un procesador central Sparc reforzado de grado QML en un encapsulado hermético y una red 1553 para la comunicación entre todos los sistemas del cohete. La versión más reciente, Ariane 6 (2024), incorpora ahora un procesador COTS basado en la arquitectura Arm®, con un ensamblaje de plástico y Ethernet para la comunicación, lo que también constituye un estándar industrial ampliamente adoptado, en contraste con la tecnología específica para el sector espacial y militar utilizada en Ariane 5.
Sin embargo, para los sistemas de alta fiabilidad que deben mantener un alto rendimiento en las comunicaciones espaciales, los dispositivos COTS deben adaptarse y certificarse, lo que requiere conocimientos especializados. Las empresas que deseen entrar en el mercado espacial o pasar del espacio nuevo al espacio profundo deben colaborar con empresas de semiconductores con una trayectoria de vuelo probada, capaces de actualizar los dispositivos COTS para satisfacer las estrictas exigencias de las misiones espaciales.
Descubra cómo la trayectoria de vuelo consolidada allana el camino hacia una nueva era de accesibilidad y colaboración en las aplicaciones espaciales
Microchip ofrece a los clientes una vía sencilla para pasar de dispositivos COTS a dispositivos cualificados para el espacio. Este enfoque proporciona soluciones escalables y personalizables adaptadas a los requisitos únicos de cada misión. Su flexibilidad es esencial en la industria espacial, un sector dinámico y en constante evolución, donde surgen continuamente nuevas tecnologías y perfiles de misión. Al reducir las barreras para la comercialización y la exploración espaciales, Microchip está facilitando un acceso más amplio a las tecnologías e innovaciones espaciales.
A corto plazo, se puede vislumbrar el futuro de los semiconductores en el espacio como una combinación de diversas estrategias: la mejora de los dispositivos COTS, el aprovechamiento de nuestra experiencia en vuelos espaciales con versiones de productos sub-QML para reducir los requisitos de selección, bajar los costes y acortar los plazos de entrega, y la personalización de los procesos de fabricación para satisfacer los requisitos únicos de perfiles de misión específicos.
Al combinar estos enfoques, seguiremos garantizando un futuro sólido y adaptable para los semiconductores en el espacio.
Conclusión
Los componentes semiconductores son cruciales para el éxito de las misiones espaciales, ya que proporcionan la fiabilidad y el rendimiento necesarios en el entorno hostil del espacio.
A medida que la industria espacial sigue evolucionando, la demanda de componentes semiconductores fiables y de alto rendimiento no hará más que crecer.
Autor: Por Nicolas Ganry, senior marketing manager for Microchip Technology’s aerospace and defense business unit
