In der Luft- und Raumfahrt sowie in der Automobilindustrie werden Elektronikkomponenten häufig hohen Temperaturen ausgesetzt, beispielsweise in Flugzeugtriebwerken, Automotoren, Raumfahrzeugen auf sonnennahen Missionen und Hochtemperaturkomponenten in Satelliten. Da die üblicherweise verwendeten Silizium- oder Galliumarsenid-Bauelemente (Si- oder GaAs-Bauelemente) nicht für sehr hohe Temperaturen geeignet sind und daher in einer kühlen Umgebung platziert werden müssen, gibt es zwei Möglichkeiten: Zum einen werden die Bauelemente außerhalb der Hochtemperaturumgebung platziert und anschließend über Leitungen und Steckverbinder mit dem zu steuernden Gerät verbunden; zum anderen werden die Bauelemente in einem Kühlgehäuse untergebracht und anschließend der Hochtemperaturumgebung zugeführt. Beide Methoden erfordern zusätzliche Komponenten, erhöhen die Systemqualität, verringern den verfügbaren Platz und beeinträchtigen die Systemzuverlässigkeit. Diese Probleme lassen sich vermeiden, indem direkt hochtemperaturbeständige Bauelemente verwendet werden. SiC-Bauelemente können ohne Kühlung direkt bei hohen Temperaturen betrieben werden.
SiC-Elektronik und -Sensoren lassen sich in und auf der Oberfläche heißer Flugzeugtriebwerke installieren und funktionieren auch unter diesen extremen Betriebsbedingungen einwandfrei. Dadurch wird die Gesamtmasse des Systems erheblich reduziert und die Zuverlässigkeit verbessert. Das SiC-basierte verteilte Steuerungssystem kann 90 % der in herkömmlichen elektronischen Steuerungssystemen verwendeten Leitungen und Steckverbinder einsparen. Dies ist von Bedeutung, da Probleme mit Leitungen und Steckverbindern zu den häufigsten Ausfallursachen bei modernen Verkehrsflugzeugen zählen.
Laut Einschätzung der US-Luftwaffe wird der Einsatz fortschrittlicher SiC-Elektronik in der F-16 die Masse des Flugzeugs um Hunderte von Kilogramm reduzieren, die Leistung und Treibstoffeffizienz verbessern, die Betriebssicherheit erhöhen und die Wartungskosten sowie Ausfallzeiten deutlich senken. Ebenso könnten SiC-Elektronik und -Sensoren die Leistung von Verkehrsflugzeugen verbessern, was zu zusätzlichen wirtschaftlichen Vorteilen in Millionenhöhe pro Flugzeug führen soll.
Ebenso ermöglicht der Einsatz von SiC-Hochtemperatur-Elektroniksensoren und -bauteilen in Automobilmotoren eine verbesserte Verbrennungsüberwachung und -steuerung, was zu einer saubereren und effizienteren Verbrennung führt. Darüber hinaus arbeitet das SiC-Motorsteuergerät auch bei Temperaturen über 125 °C zuverlässig, wodurch die Anzahl der Leitungen und Steckverbinder im Motorraum reduziert und die Langzeitstabilität des Fahrzeugsteuerungssystems erhöht wird.
Heutige kommerzielle Satelliten benötigen Kühlkörper zur Wärmeabfuhr der Bordelektronik sowie Abschirmungen zum Schutz der Elektronik vor Weltraumstrahlung. Der Einsatz von Siliziumkarbid-Elektronik (SiC) in Raumfahrzeugen kann die Anzahl der Leitungen und Steckverbinder sowie die Größe und Qualität der Strahlungsabschirmungen reduzieren, da SiC-Elektronik nicht nur bei hohen Temperaturen funktioniert, sondern auch eine hohe Strahlungsbeständigkeit aufweist. Da die Kosten für den Start eines Satelliten in die Erdumlaufbahn anhand seiner Masse gemessen werden, könnte die Massenreduzierung durch den Einsatz von SiC-Elektronik die Wirtschaftlichkeit und Wettbewerbsfähigkeit der Satellitenindustrie verbessern.
Raumfahrzeuge mit hochtemperaturbeständigen, strahlungsresistenten SiC-Bauteilen könnten für anspruchsvollere Missionen im Sonnensystem eingesetzt werden. Zukünftige Missionen zur Sonne und zu den Planetenoberflächen des Sonnensystems werden eine Schlüsselrolle für SiC-Elektronik mit ihren hervorragenden Hochtemperatur- und Strahlungsbeständigkeitseigenschaften spielen. Der Einsatz von SiC-Elektronik kann den Bedarf an Schutzvorrichtungen und Wärmeableitungssystemen reduzieren, sodass mehr wissenschaftliche Instrumente in jedem Raumfahrzeug installiert werden können.
Veröffentlichungsdatum: 23. August 2022