11.04.2018

Bedrohung für autonomes und elektrisches Fliegen

Tests mit einem Piko­sekunden­laser­system zeigen bisher un­ent­deckte Einzel­teil­chen­effekte.

Tests mit dem 2017 am Fraunhofer-Institut für natur­wissen­schaft­lich-tech­nische Trend­ana­lysen in Betrieb genom­menem Piko­sekunden­laser­system zeigen Ergeb­nisse, die bei ver­gleich­baren Ver­suchen an Schwer­ionen­beschleu­nigern nicht gefunden wurden. Durch die höhere Ein­dring­tiefe des Laser­strahls in elek­tro­nische Bau­teile können Ein­schläge von kosmischen Teil­chen reali­täts­ge­treuer simu­liert und konkre­tere Empfeh­lungen für Schutz­maß­nahmen abge­leitet werden. Die Test­methoden sind beson­ders für Luft- und Raum­fahrt­anwen­dungen von Bedeu­tung, da gerade in großen Höhen Elek­tronik durch kosmische Strahlung gefährdet ist.

Abb.: Untersuchtes Bauteil MAX14850 mit Kartie­rung der auf­tre­tenden Effekte. Den rot um­ran­deten Bereich zeigt die zweite Ab­bil­dung 2 in feinerer Auf­lösung. (Bild: Fh.-INT)

Teilchen kosmischer Strahlung aus dem Weltraum können in elek­tro­nische Bau­teile ein­schlagen und tempo­räre oder dauer­hafte Fehl­funk­tionen herbei­ühren. Mittels des Piko­sekunden­lasers lassen sich solche Single Event Effects, kurz SEEs, simu­lieren und unter­suchen. Die Unter­suchungen zeigen Regionen auf einem elek­tro­nischen Bau­teil, welche unter Laser­beschuss einen erhöhten Strom­fluss, einen Single Event Latch-Up, aufwiesen. Ohne Schutz­maß­nahmen können solche SELs dazu führen, dass ein Bau­teil durch­brennt und funk­tions­unfähig wird. Es konnte außer­dem die genaue räum­liche Ver­tei­lung von ver­schie­denen kurz­zeitigen Störungen lokali­siert werden, welche zu Fehlern im Bau­teil führen können. Sämtliche SELs sowie einige der Transienten wurden bei ver­gleich­baren Schwer­ionen­tests nicht beob­achtet.

Eine mögliche Erklärung für das Auf­treten der ansonsten unent­deckten Effekte ist, dass der Laser­strahl tiefer in das Bau­teil ein­dringt. Bei gängigen Beschleu­niger­anlagen dringen die Ionen nicht tief genug in das Bau­teil ein, um realis­tische Situa­tionen mit ein­schla­genden Teil­chen zu simu­lieren. Außer­dem werden bei Beschleu­nigern mehrere Tausend Teil­chen pro Sekunde auf ein Bau­teil geschossen. Es ist jedoch nicht steuer­bar, wo genau diese ein­schlagen. Das Aus­bleiben von Effekten kann in diesen Fällen folg­lich daran liegen, dass keins der Teil­chen die rele­vanten empfind­lichen Regionen getroffen hat. Das kann im Betrieb zu folgen­schweren Fehlern führen, wenn ein ver­meint­lich als sicher ein­ge­stuftes Bau­teil durch einen uner­warteten SEL aus­fällt.

Abb.: Ausschnitt aus der Abbildung oben: Kartie­rung der auf­tre­tenden Effekte bei ver­schie­denen Laser­inten­si­täten. (Bild: Fh.-INT)

Bei Tests mit dem Pikosekundenlaser kann ein Bauteil dagegen in Schritten von Bruch­teilen von Mikro­metern mit ver­schie­denen Laser­energien abge­tastet werden. Dadurch kann für jede Regionen des Bau­teils fest­ge­stellt werden, ab welcher Energie ein durch Teil­chen indu­zierter Effekt auf­tritt. Durch die schritt­weise Abtas­tung wird sicher­ge­stellt, dass keine rele­vante Region und die darin auf­tre­tenden Effekte über­sehen werden. Die Ergeb­nisse bilden die Grund­lage, um an den betrof­fenen Stellen Schutz­maß­nahmen zu treffen und nega­tive Folgen zu ver­meiden.

Ein Beispiel, wie gravierend die Folgen von SEEs sein können, ist der NASA-Satellit Image. Im Jahr 2005 brachen plötz­lich sämt­liche Ver­bin­dungen zur Kommu­ni­ka­tion und Steue­rung des Satel­liten ab, bis ein kana­discher Funk­amateur im Januar 2018 über­raschend Signale des bis dato ver­schol­lenen Satel­liten empfing. Laut der NASA war ein SEE ver­ant­wort­lich. Auch 2008 bei der Not­landung eines Qantas-Flugs wird ein SEE für den unkon­trol­lierten Sturz­flug des Flug­zeugs mit 119 Ver­letzten ver­ant­wort­lich gemacht. Gerade im Kontext von Inno­va­tionen wie elek­trischem oder auto­nomem Fliegen stellen Bedro­hungen durch SEEs wie der Abbruch des Funk­kontaktes, Aus­fälle der Steue­rung oder voll­stän­dige System­aus­fälle eine Heraus­forde­rung dar und ver­langen nach ver­stärkten Test- und Schutz­maß­nahmen.

Fh.-INT / RK

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