Data ve vesmíru: Víc než jen raketová věda

Vesmír je osiřelým prostorem. Je to vakuum bez vzduchu. Teploty se mohou pohybovat od stovek stupňů v blízkosti Slunce až po tak nízké, že se pohyb atomů zpomaluje. Pro inženýry a vědce, kteří navrhují satelity a jiné kosmické lodě, je často nejvýznamnějším úkolem po přežití startu „udržet je v provozu co nejdéle“.

Vesmírná elektronika

Rafał Graczyk je vědeckým pracovníkem v SnT, Interdisciplinárním centru pro bezpečnost, spolehlivost a důvěru na Lucemburské univerzitě. Jeho kariéra je plná projektů souvisejících s vesmírem, včetně družice YES2, která je satelitem s lanem o délce 32 kilometrů – nejdelší konstrukcí vyrobenou člověkem ve vesmíru.

Dnes se Graczyk zaměřuje na navrhování odolných počítačových systémů pro vesmír. „Vesmír je nepřátelským prostředím,“ řekl. „Je těžké zde přežít, ať už jste člověk, nebo stroj.“

Ačkoli by Graczyk dokázal přednášet celý semestrální kurz o problémech spojených s provozem pozemské elektroniky ve vesmíru, několik z nich si zasluhuje větší pozornost: mechanické namáhání materiálů při prudkém startu, stres způsobený rychlým kolísáním teploty na oběžné dráze, odvádění tepla v hlubokém vakuu (kde nefunguje konvekce) a nepozemské jevy, jako je atomární kyslík, rychlé odplyňování, a především kosmické záření.

Kosmické záření

Kosmické záření je nejvýznamnější překážkou pro cesty člověka do vesmíru, protože jeho účinky jsou velmi škodlivé. Termín „kosmické záření“ obecně označuje ionizující záření nebo „kosmické paprsky“.

Kosmické paprsky nejsou tak docela paprsky, jak název napovídá. Jsou to nabité subatomární částice, které nesou dostatek energie na to, aby vyrazily elektrony z jejich atomového orbitalu a způsobily tak jejich elektrické nabití (ionizaci).

Většina ionizujících částic pochází ze Slunce buď ze stálého proudu známého jako sluneční vítr, nebo z občasných obřích explozí zvaných koronální výrony hmoty. Tyto výbuchy mohou uvolnit tolik energie jako výbuch tisíce jaderných bomb najednou, a proto je jejich radiační účinek tak ničivý.

Nejnebezpečnějším druhem kosmického záření je však galaktické kosmické záření.

Seznamte se s galaktickým kosmickým zářením

Galaktické kosmické záření jsou částice, které nesou obrovské množství energie. Přibližují se téměř světelnou rychlostí ze supernov, formujících se hvězd nebo supermasivních černých děr mimo naši galaxii. Pravdou však je, že vědci si nejsou zcela jisti, co tyto částice tak silně nakopne, aby se dostaly tak daleko a tak rychle.

Zatímco stínicí techniky mohou pomoci ochránit lidi a elektroniku před většinou slunečního záření, galaktické kosmické paprsky mohou proniknout čímkoli – lidskou kůží, stěnami kosmických lodí nebo křemíkovými čipy. Když tyto nabité částice prolétávají hmotou a srážejí se s ní, mohou narušit křehkou rovnováhu elektronů uvnitř zařízení a polovodičových obvodů.

„Tyto fyzikální jevy z míst vzdálených miliardy kilometrů daleko hrají s elektronikou ruskou ruletu. Mohou proměnit registry procesoru na generátory náhodných čísel,“ řekl Graczyk.

Není překvapením, že kosmické záření dokázalo způsobit i takový chaos, jako je zapnutí požárního poplachu ve vesmírném modulu nebo přerušení komunikace na palubě Mezinárodní vesmírné stanice.

Fenomén bitového převrácení

U paměťových technologií, jako je RAM a NAND flash, může kosmické záření způsobit tzv. „bitflip“ (převrácení bitové hodnoty). Bitflip je situace, kdy jeden nebo více bitů ztratí svůj zamýšlený datový stav a změní se z 0 na 1 nebo naopak. Pouhý jeden převrácený bit může způsobit nepoužitelnost datové sady.

Jen málo lidí na světě má takové znalosti o výrobě NAND flash a procesech návrhu produktů jako Raya Kozlov. Je ředitelkou kvality pro zákazníky ve společnosti Western Digital a světovou odbornicí na stanovení kvality a spolehlivosti produktů založených na pamětech flash, včetně těch určených pro vesmír.

„Tranzientní bitflipy jsou známým jevem a v tomto odvětví, zejména na automobilovém trhu, vyvolávají obavy,“ řekla. To proto, že v roce 2009 bylo kosmické záření pravděpodobným viníkem „váznoucího“ pedálu a následného stažení devíti milionů automobilů z trhu.

Raya Kozlov uvedla, že existují nové způsoby, jak chránit paměti flash před ničivým kosmickým zářením. „Skutečnost, že my sami [Western Digital] navrhujeme a vyrábíme paměť NAND a řadič flash paměti, nám umožňuje využít synergie hardwarové a algoritmické detekce a opravy chyb,“ řekla.

Řadič flash je výkonný „mozek“, který řídí čip flash, ale používá paměť SRAM, takže je také zranitelný vůči kosmickému záření. „Společnost Western Digital je dnes jedinou společností, která nabízí hardwarovou ochranu vestavěné paměti SRAM proti bitovému převrácení pro paměti typu e.MMC i UFS,“ řekla Kozlov.

Testování, testování, testování

Vesmírné systémy jsou notoricky známé svou složitostí. Inženýři se snaží vyvolat jakékoli možné selhání testováním subsystémů a komponent mechanicky, tepelně a v prostředí vakua. Simulace vesmírného prostředí může odhalit případnou nestabilitu nebo vady materiálu.

„Kvalita je základ,“ řekl Graczyk. „I v rámci jednoho výrobního závodu se mohou šarže nepatrně lišit. Potřebujeme vědět, že to, co vyšleme do vesmíru, se bude chovat stejně jako součástka, kterou jsme testovali na Zemi.“

 „Záleží na každém detailu,“ uvedl Yaniv Iarovici. Ve společnosti Western Digital je Iarovici ředitelem marketingu pro segment IoT a Edge, včetně vesmíru a nízké oběžné dráhy Země. „To, jak přistupujeme k výrobě křemíkových plátků, dodavatelskému řetězci a inženýrství od buňky NAND přes řadič, firmware až po balení zařízení a finální testování, je pro tento cíl zásadní,“ řekl.

Iarovici řekl, že úspěch spočívá v pečlivém inženýrství. „I když společnosti navrhují se strategií nulové poruchovosti, jako je tomu například u automobilových a vesmírných zařízení, vědecká pravděpodobnost není nikdy nulová. Záleží na metodikách společnosti [Western Digital], které zajišťují kvalitu a spolehlivost prostřednictvím vhodného návrhu a testování,“ řekl.

Nový kosmický věk

S nástupem soukromých společností a letů financovaných miliardáři jsou nyní starty do vesmíru běžnou záležitostí. Odolávat riskantnímu prostředí vesmíru však bude vyžadovat mnohem víc než jen raketovou vědu. S přibývajícím počtem misí, které budou odlétat z naší planety, bude zapotřebí spolehlivějších pamětí a úložišť, aby se data ve vesmíru neztrácela.