Victor Salomon, Texas Instruments Innovationen für den Weltraum

Victor Salomon von Texas Instruments hilft als Systems Manager Kunden bei der Lösung von Designproblemen bei Aerospace-Anwendungen. Er verfügt über umfangreiche Erfahrung im Systemdesign. Seine Interessensgebiete sind das Design von Signalketten und getakteten Stromversorgungen, die theoretischen Grundlagen von Operationsverstärkern sowie die SPICE-Modellierung und -Simulation.

Bild: Texas Instruments
16.11.2021

Um echte High-Tech-Pakete handelt es sich bei den heutigen intelligenten Kleinsatelliten, die immer kompliziertere Aufgaben ausführen können. Moderne Prozessoren wie die SpaceCube-
Familie der NASA tragen dazu bei, die Rechenleistung von Kleinsatelliten zu steigern. Voraussetzung sind leistungsfähige Power-Management-Lösungen, die mit hoher Leistungsdichte, Genauigkeit und exzellenter Strahlungsfestigkeit aufwarten.

Nach zweijähriger Flugzeit berührte die Raumsonde OSIRIS-REx im August 2018 die Oberfläche des Asteroiden Bennu, um an seiner Oberfläche Materialproben zu entnehmen. Anhand von Bildern, die zur Erde geschickt wurden, konnte die Bodenstation die Sonde steuern und einen geeigneten Ort zum Landen ausmachen. Wegen des knappen Platzes in der Sonde und der rauen Einsatzbedingungen im Weltall stand allerdings nur sehr wenig Rechenleistung zur Verfügung, sodass Navigations-Updates nur in Abständen von einigen Minuten durchgeführt werden konnten. Zusammen mit der 18-minütigen Übertragungszeit für die immerhin 322 Millionen Kilometer zwischen Erde und Bennu sorgte dies für lange Wartezeiten. Die Mission verlangte nach dem Einsatz strahlungsfester Chips, die widerstandsfähig genug sind, um den Umgebungsbedingungen außerhalb der schützenden Erdatmosphäre standzuhalten – wenn auch auf Kosten einer geringeren Leistungsdichte.

Missionen, die leistungsfähige Rechenoptionen benötigen, verlangen nicht nur nach einer neuen Art weltraumtauglicher Prozessoren, sondern erfordern auch neue Wege, diese mit Strom zu versorgen. Grundlage hierfür sind weltraumtaugliche Power-Management-Bausteine, die mithilfe neuer Gehäusetechniken für ein hohes Performance-Niveau und eine hohe Leistungsdichte optimiert sind. Ein gutes Beispiel sind die leistungsfähigen On-Board-Datenprozessoren der SpaceCube-Familie der NASA. Sie basieren auf einem kommerziellen FPGA und können daher während der Mission für unterschiedliche Aufgaben programmiert werden, die sonst separate Prozessoren erfordert hätten. Sie eignen sich deshalb bestens für den Einsatz in Kleinsatelliten, in denen es vorrangig auf die Begrenzung des Bauteileaufwands und der Abmessungen ankommt. Die kleinste Version des SpaceCube, der v3.0 Mini, passt in ein weniger als 10 x 10 cm großes Gehäuse und ist damit nur geringfügig größer als ein Zauberwürfel.

Die Unterbringung von so viel Rechenleistung auf kleinstem Raum bedingte jedoch ein neues Konzept für die Stromversorgung weltraumtauglicher FPGAs. Schließlich stellt die hohe Rechenleistung große Anforderungen an die Power-Management-Systeme, und es kann eine große Herausforderung sein, diese Einzelaspekte mit platzbeschränkten Stromerzeugungs- und -versorgungssystemen zu erfüllen. In einigen Fällen benötigt der FPGA-Kern eine Spannung von 1 V mit einer Toleranz von ±4 Prozent. Bricht die Spannung um mehr als 4 Prozent ein, können sämtliche erfassten Daten verlorengehen, während bei zu hoher Spannung das FPGA Schaden nehmen kann.

TI-Ingenieure entwickelten deshalb neue Gehäusetechniken, um die Power-Management-Lösung kleiner zu machen und gleichzeitig ihre Leistung und Performance zu verbessern. Hieraus ging der TPS7H4001-SP hervor, ein weltraumtauglicher Point-of-Load-Abwärtswandler, der die nötige Regelgenauigkeit bietet, den hohen Strombedarf der FPGAs deckt und selbst extremer Strahlung widersteht.

Durch die Kombination kommerzieller und strahlungsfester Bauelemente mit einer ebenfalls vor Strahlung geschützten Stromversorgungs-Lösung von TI bietet der SpaceCube v3.0 die Chance zur Nutzung künstlicher Intelligenz nicht nur in NASA-Missionen, sondern auch für die große Zahl privater Unternehmen, die die gesunkenen Raketenstartkosten und die Kleinsatelliten-Technologie nutzen, um ihr Betätigungsfeld auf den Weltraum auszudehnen.

Firmen zu diesem Artikel
Verwandte Artikel