Когда спутник размером не больше микроволновой печи сгенерировал плазму в сотнях километров над Землей, это стало тихим, но значимым моментом для будущего производства полупроводников.

Британский стартап Space Forge успешно произвел и контролировал плазму на борту своего космического аппарата ForgeStar-1 на низкой околоземной орбите (НОО), став первой коммерческой компанией, продемонстрировавшей основной процесс производства полупроводников на свободно летающем автономном спутнике.

Это достижение приближает космическое производство к практической реализации, не в плане создания готовых микрочипов на орбите, а в плане улучшения материалов, которые в конечном итоге обеспечивают работу технологий на Земле.

В основе демонстрации лежит плазма — перегретый, электрически заряженный газ, играющий центральную роль в росте кристаллов в газовой фазе. Этот этап является одним из самых сложных и чувствительных к дефектам этапов в производстве высокоэффективных полупроводниковых материалов.

До сих пор подобные эксперименты в основном проводились в строго контролируемых исследовательских центрах на борту Международной космической станции. Космический аппарат ForgeStar-1 демонстрирует, что аналогичные экстремальные условия могут быть созданы, стабилизированы и отслеживались на специализированной коммерческой платформе без вмешательства человека.

«Это доказывает, что необходимые условия для выращивания высокоэффективных кристаллов могут быть созданы на специализированном коммерческом спутнике», — сказал Джошуа Вестерн, генеральный директор и соучредитель Space Forge. «Это открывает двери в совершенно новую область производства».

Низкая околоземная орбита устраняет многие из этих ограничений одновременно. В условиях микрогравитации конвекция и осаждение, вызванные плавучестью, в значительной степени исчезают, позволяя атомам располагаться в более однородных кристаллических структурах. Естественный вакуум космоса намного чище, чем большинство земных производственных сред, а температурные условия более стабильны.

Ученые отмечают, что кристаллы, выращенные в таких условиях, после обработки на Земле могут демонстрировать более низкий уровень дефектов, улучшенную однородность, а также лучшие электрические и оптические свойства.

Это не означает, что целые микрочипы вскоре будут производиться на орбите. По крайней мере, на данный момент, основное внимание уделяется самым ранним и наиболее важным этапам производства: выращиванию сверхчистых кристаллических «зародышей», которые впоследствии можно будет масштабировать с использованием проверенных на Земле технологий.

По данным Space Forge, испытание подтверждает возможность автономного управления поведением плазмы на орбите. В течение оставшейся части миссии спутник будет проводить систематические измерения параметров, корректируя переменные для понимания того, как плазма реагирует в условиях невесомости.

Полученные данные будут напрямую использованы при проектировании будущих миссий, направленных на выращивание полупроводниковых материалов в космосе.

В рамках миссии также решается вопрос устойчивого развития. По мере естественного схода ForgeStar-1 с орбиты его траектория отслеживается с помощью бортовых систем и при внешней поддержке Совета по науке и технологиям Великобритании.

Космический аппарат спроектирован таким образом, чтобы безопасно сгореть в атмосфере, что служит целенаправленной проверкой ответственного захоронения отходов в условиях растущей обеспокоенности по поводу перегруженности орбиты.

Компания Space Forge ориентируется на материалы с широкой и сверхширокой запрещенной зоной, включая нитрид галлия, карбид кремния, нитрид алюминия и алмаз.

Эти материалы уже используются в высоковольтной силовой электронике, радиолокационных системах, спутниковой связи и электромобилях, но их характеристики и выход годной продукции ограничены дефектами, возникающими в процессе наземного производства.

Исследователи считают, что уменьшение гравитационного движения жидкости во время роста кристаллов может значительно улучшить как качество, так и выход продукции. Моделирование показывает, что по мере снижения стоимости запуска и совершенствования процессов орбитальное производство может стать экономически целесообразным для высокоценных и маломассовых продуктов, таких как полупроводниковые пластины.

На данный момент компания Space Forge не заявляет о коммерческих объемах производства. Ее заявленная цель — производить материалы такого качества, которое невозможно получить на Земле, а затем возвращать их для масштабирования до земных размеров.

Вместо замены наземных производственных предприятий, компания Space Forge реализует гибридную модель. Выращенные в космосе кристаллы-затравки будут доставлены на Землю и расширены с использованием традиционных методов производства на таких объектах, как Центр интегративных полупроводниковых материалов.

Этот подход отражает более широкое согласие, достигнутое на отраслевых семинарах и в академических исследованиях, которые утверждают, что производство в условиях микрогравитации приносит наибольшую выгоду, когда оно дополняет существующие цепочки поставок.

Ценность заключается в улучшении наиболее чувствительных к дефектам этапов производства, а не в воссоздании всей полупроводниковой экосистемы на орбите.

Полупроводники особенно хорошо подходят для этой модели, поскольку они являются стратегически важными, дорогостоящими компонентами, где даже незначительное улучшение характеристик или долговечности может иметь огромные экономические последствия и последствия для безопасности.

Интерес к космическому производству растет, поскольку геополитическая напряженность, уязвимость цепочек поставок и растущий спрос оказывают давление на наземное производство полупроводников.

Продемонстрировав генерацию плазмы на свободно летающем коммерческом спутнике, компания Space Forge перевела дискуссию с лабораторной теории на практическую инженерию.

Кратковременная вспышка плазмы на борту ForgeStar-1 пока не сигнализирует о промышленной революции на орбите. Однако она показывает, что космос — это уже не просто место для развертывания передовой электроники.

Начинает казаться, что это место, где можно улучшить важнейшие материалы, лежащие в основе этих технологий, прежде чем вернуть их на Землю и превратить в микросхемы, питающие современный мир.