Ein in Japan entwickelter Transistor aus Siliziumkarbid arbeitet von Raumtemperatur bis 600 Grad Celsius ohne Ausfall. Auf der Venusoberfläche herrschen etwa 460 Grad, weshalb bisherige Landesonden dort nur Stunden durchhielten, der sowjetische Rekord liegt bei 2 Stunden und 7 Minuten. Das Bauteil ist bewusst kein gewöhnlicher Schaltkreis, sondern eine Bauform, die seit Jahrzehnten als Nischenlösung gilt. Genau diese Bauart löst zwei Probleme, an denen Hitzeelektronik bisher scheiterte.
Transistoren sind die Grundbausteine jeder Elektronik. Sie schalten und verstärken elektrische Signale, und in einem modernen Prozessor arbeiten Milliarden von ihnen nebeneinander. Fast alle bestehen aus Silizium, einem Material mit einer entscheidenden Schwäche: Steigt die Temperatur, gewinnen Elektronen im Kristall so viel Energie, dass sie auch dort fließen, wo eigentlich gesperrt sein sollte. Der Transistor verliert seine Steuerbarkeit, Leckströme nehmen zu, das Bauteil wird nutzlos. Für Alltagsgeräte spielt das keine Rolle, weil sie selten über 100 Grad hinauskommen. Für die Raumfahrt ist es ein hartes Limit. Auf der Venus liegt die Oberflächentemperatur bei rund 460 Grad Celsius, dazu kommt ein Druck von etwa 90 Erdatmosphären und eine dichte Kohlendioxidhülle.
Die bisherigen Landungen zeigen die Folgen. Alle sowjetischen Venera-Sonden der 1970er und 1980er Jahre arbeiteten nur wenige Stunden, bevor die Elektronik ausfiel, Venera 13 hält mit 2 Stunden und 7 Minuten den Rekord für die längste Überlebensdauer auf der Venusoberfläche. Die Sonden schützten ihre Rechentechnik in druckfesten, gekühlten Kammern, was Masse kostet und damit Startkosten. Seit etwa der Jahrtausendwende gilt Siliziumkarbid als der Weg aus dieser Sackgasse. In diesem Verbundhalbleiter ist der energetische Abstand zwischen gebundenen und frei beweglichen Elektronen deutlich größer als in Silizium, weshalb das Material auch bei Rotglut noch als Halbleiter funktioniert statt als Leiter. Die praktische Umsetzung blieb dennoch schwierig.
Der neue Baustein ist ein Sperrschicht-Feldeffekttransistor, kurz JFET. Bei dieser Bauform steuert die Stärke eines elektrischen Feldes die Leitfähigkeit eines Kanals im Halbleiter. Der weit verbreitete Gegenentwurf, der Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor oder MOSFET, steckt in Smartphones und Computern und benötigt dafür eine hauchdünne Oxidschicht als Isolator. Genau diese Schicht ist bei großer Hitze die Schwachstelle, weil sie altert, Ladungen einfängt und Störsignale erzeugt. Der JFET kommt ohne sie aus und erreicht deshalb von Haus aus ein geringeres Rauschen. Den Preis zahlt die Bauform an anderer Stelle: JFETs lassen sich schlechter verkleinern, weshalb sie in der Massenfertigung kaum vorkommen und auf Spezialanwendungen beschränkt blieben.
Die Forscher legten das Bauteil gezielt gegen die beiden typischen Hochtemperaturfehler aus, gegen den Verlust der Steuerbarkeit und gegen Leckströme. In den Messungen arbeitete der Transistor über die gesamte Spanne von Raumtemperatur bis 1.112 Grad Fahrenheit, also 600 Grad Celsius, normal. Entscheidend ist dabei nicht der Spitzenwert allein, sondern dass sich das Verhalten über den ganzen Bereich vorhersagen lässt. Ein Schaltkreis, dessen Kennlinien sich beim Aufheizen verschieben, ist für Messtechnik unbrauchbar, selbst wenn das Bauteil nicht zerstört wird. Die Autoren verweisen ausdrücklich darauf, dass frühere Landesonden durch die siliziumbasierte Elektronik auf wenige Stunden begrenzt waren, und ordnen ihre Arbeit in die Entwicklung stromsparender integrierter Schaltkreise für Venusmissionen ein.
Eine Sonde, deren Elektronik die Umgebungstemperatur aushält, braucht keinen isolierten Druckbehälter und keine aktive Kühlung. Das spart Masse, und gespart wird sie doppelt, weil eine leichtere Sonde eine kleinere Rakete benötigt. Statt Stunden wären Messreihen über Tage, Wochen oder ganze Jahreszeiten denkbar, etwa zu Windgeschwindigkeiten, Temperaturgängen und chemischer Zusammensetzung der unteren Atmosphäre. Genau diese Langzeitdaten fehlen für die Venus vollständig, während vom Mars kontinuierliche Messreihen über Jahre vorliegen. Einschränkend gilt, dass ein einzelner funktionierender Transistor noch keinen Schaltkreis ergibt: Für eine Sonde braucht es Speicher, Verstärker, Sender und Verbindungsleitungen, die dieselbe Hitze überstehen, dazu Gehäuse und Lötstellen.
Der weitaus größere Markt für solche Bauteile liegt nicht im Weltraum. Siliziumkarbid steckt bereits in Leistungselektronik für Elektroautos, Windkraftanlagen und Bahntechnik, weil es hohe Spannungen bei geringen Verlusten schaltet. Eine Elektronik, die zusätzlich mehrere hundert Grad aushält, käme direkt in Turbinen, in Verbrennungsräume und in die Tiefbohrtechnik, wo bislang aufwendig gekühlte Sensoren oder mechanische Behelfslösungen arbeiten. Sensoren, die unmittelbar im heißen Teil eines Triebwerks messen statt in sicherem Abstand, liefern schnellere Regelsignale und damit geringeren Verbrauch. Der Weg von einem Laborbauteil zu einem verfügbaren Produkt ist allerdings lang, und Aussagen über Serienreife oder Lebensdauer über Jahre hinweg lassen sich aus der vorliegenden Arbeit nicht ableiten.