NASA 終於研發出能在金星表面上運行的電腦

要在金星表面上放一台電腦？做到耐酸雨腐蝕很容易，但是能承受500°C的超高溫和約為地球大氣壓90倍的超高壓卻是一件難事。

上圖為人類掌握的少有的金星圖像之一，由一個金星探測器拍攝下來。這張圖片是從原來的低解析度攝像機鏡頭畫面經過大量後期處理得來的。

金星是太陽系中最不適宜居住的地方之一。 當著陸器下降時，穿過沸騰著的硫酸雨形成的雲霧實際上是件容易的事。真正的難點是著陸器登陸後，不會被金星表面470°C的高溫烤壞或是被約為地球大氣壓90倍的超高壓壓碎，要知道這裡的大氣壓強等同於你在水下900米游泳時受到的壓強。

對於人造探測器，在金星上的最長生存時間是127分鐘，這項紀錄是1981年前蘇聯航天器Venera 13號創造的。 堅持了兩個小時沒有損毀，並回傳給我們第一張關於這個星球表面狀況的彩色照片，被認為是一個巨大的成功。當時這個探測器的預計使用壽命是在被金星表面的惡劣環境烤壞、壓碎或是酸雨腐蝕分解前，能夠存活32分鐘。 隨後又升空了三個金星探測器，均由前蘇聯發射，分別是Venera 14號，Vega 1號，Vega 2號。但自1985年以後，我們就沒有試圖讓任何航天器在金星表面上著陸。

探索金星的核心問題之一是，普通的數字計算機無法在那裡長時間的正常工作。 標準的硅基晶元可以承受大約250°C高溫，但最終系統中積聚了過多的能量，硅材料性質發生變化，不再是半導體材料，其中的電子可以自由越過帶隙，這時一切都停止工作了。Venera著陸器採用繁瑣笨重的密封倉室來保持晶元的電子處於冷卻狀態，在脫離母軌道進入大氣層之前，有時內部先被預冷卻到大約-10°C左右。

在過去幾年中，基於半導體碳化硅（SiC）材料的電子學已經開始成熟。 SiC從軍事和重工業中吸引了很多人的興趣，因為它可以支持非常高的電壓和溫度，這些性能也使其成為研製金星計算機非常合適的參考材料。

在NASA Glenn熾熱（400C +）的碳化硅環形振蕩器

現在，NASA的Glenn研究中心的研究人員已經破解了限制高溫集成電路的另一個大問題：他們已經製造出了將晶體管和其他集成組件連接在一起的微小導線，這種導線也可以在金星的極端條件下正常工作。

NASA Glenn研究人員將新型導線與一些SiC晶體管相結合，製作了一個陶瓷封裝晶元。 然後將該晶元放入GEER-the Glenn Extreme Environments Rig中，該機器可以一次性保持類似金星的溫度和壓力運作數百小時。 該晶元是一個簡單的3級振蕩器，在GEER不得不關閉之前，該晶元在穩定的1.26MHz工況下運行521小時（21.7天）。

NASA Glenn發言人說，這是第一個已知的計算機晶元在沒有壓力容器，冷卻系統或其他保護措施的幫助下，在類金星狀況下運行多天/周的示範。 「隨著進一步的技術成熟，這樣的SiC集成電路可以大大提高金星著陸器設計和計算性能，從根本上實現長期在金星的表面從事高性能計算任務。」研究人員總結。

向金星發送著陸器不只需要耐高溫的電子元器件。 在研究這個故事的時候，我偶然發現了一個很棒的網站，記錄了從1961年到1985年前蘇聯對金星的探索。事實證明，製造能在470℃和9MPa條件下繼續工作的工具是相當困難的。 請查看Venera 13號和14號著陸器上鑽孔設備的描述：

「能夠在固體火成岩中鑽3厘米，如果需要，鑽頭需要發明新合金和新型電動機。 機器部件設計為僅在熱膨脹到500℃之後才適合和正常工作。 伸縮鑽頭下降到鑽孔表面用時兩分鐘。 煙火裝料系統無需一系列的密封，允許金星的高壓氣體湧入裝配管道中。 土壤分階段進入土壤轉移管和樣品容器中。 樣品容器被煙火裝料系統通過氣鎖控制，最終進入x射線熒光室。 然後大型真空儲存器將室壓力降低至約0.06個大氣壓。」

金星著陸器的機械設計方面今天仍然很困難，但是由於材料科學，石油鑽探和其他高溫工業的進步，這應該在我們的能力範圍內。不過好消息是大概在2023年，NASA Glenn將設計完成一輛更加複雜、困難的擁有更多運動組件的金星登陸車。

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