Πρωτοποριακό Wi-Fi chip από την Ιαπωνία καταφέρνει να επιβιώσει στην ακραία πυρηνική ακτινοβολία

Σύνοψη

• Ερευνητές του Institute of Science Tokyo ανέπτυξαν ασύρματο δέκτη Wi-Fi που λειτουργεί ομαλά σε συνθήκες ακραίας ραδιενέργειας.
• Η συσκευή δοκιμάστηκε με επιτυχία σε δόσεις έως και 800 kGy, απόδοση που ξεπερνά κατά πολύ τις αυστηρές προδιαγραφές των διαστημικών ηλεκτρονικών.
• Στόχος της τεχνολογίας είναι η κατάργηση των καλωδίων LAN στα ρομπότ που αναλαμβάνουν την αποξήλωση πυρηνικών εγκαταστάσεων.
• Η καινοτομία παρουσιάστηκε στο διεθνές συνέδριο IEEE ISSCC και ανοίγει τον δρόμο για τη χρήση πλήρως αυτόνομων ρομποτικών σμηνών στη βαριά βιομηχανία.

Η αποξήλωση παλαιών πυρηνικών εγκαταστάσεων και η διαχείριση ατυχημάτων αποτελούν ορισμένες από τις μεγαλύτερες προκλήσεις της σύγχρονης μηχανικής. Ο περιοριστικός παράγοντας στις επιχειρήσεις αυτές δεν είναι η έλλειψη προηγμένων ρομποτικών συστημάτων, αλλά η ίδια η φύση της ραδιενέργειας, η οποία καταστρέφει ταχύτατα τα συμβατικά ηλεκτρονικά κυκλώματα. Ωστόσο, τα δεδομένα πλέον αλλάζουν ριζικά. 

Ερευνητική ομάδα από το Institute of Science Tokyo ανέπτυξε έναν εξαιρετικά ανθεκτικό δέκτη Wi-Fi. Το νέο chip σχεδιάστηκε ειδικά για να αντέχει στις ακραίες συνθήκες ενός πυρηνικού αντιδραστήρα, επιτρέποντας στα ρομπότ να επιχειρούν ασύρματα, χωρίς τους φυσικούς περιορισμούς που επιβάλλουν τα παραδοσιακά καλώδια ελέγχου.

Πώς το νέο Wi-Fi chip επιβιώνει μέσα σε έναν πυρηνικό αντιδραστήρα;

Η ομάδα του Institute of Science Tokyo παρουσίασε στο συνέδριο IEEE ISSCC έναν δέκτη Wi-Fi ειδικά κατασκευασμένο με ανθεκτικά υλικά και νέα αρχιτεκτονική μικροκυκλωμάτων. Ο δέκτης διατηρεί την πλήρη λειτουργικότητά του, χάνοντας μόλις 1.5 dB στην απολαβή σήματος, ακόμη και μετά από συνεχή έκθεση σε 800 kGy ραδιενέργειας, εξασφαλίζοντας σταθερή ασύρματη επικοινωνία.

Τα συμβατικά ηλεκτρονικά βασίζονται στο πυρίτιο, το οποίο είναι εξαιρετικά ευάλωτο στον ιονισμό. Όταν σωματίδια υψηλής ενέργειας διαπερνούν ένα τυπικό chip, προκαλούν διαταραχές που οδηγούν σε στιγμιαία απώλεια δεδομένων ή στη σταδιακή, μη αναστρέψιμη καταστροφή του υλικού. Οι Ιάπωνες ερευνητές επανασχεδίασαν τη δομή του πομποδέκτη, εφαρμόζοντας τεχνικές σκλήρυνσης στο επίπεδο της αρχιτεκτονικής του κυκλώματος, διασφαλίζοντας ότι η αλλοίωση του σήματος παραμένει αυστηρά κάτω από το όριο αποσύνδεσης.

Βασικά τεχνικά χαρακτηριστικά της ιαπωνικής καινοτομίας:

• Αντοχή σε ακτινοβολία: Το chip δοκιμάστηκε εκτενώς στα 500 kGy με ελάχιστες απώλειες και διατήρησε τη λειτουργικότητά του σε ακραίες δοκιμές έως τα 800 kGy.
• Απώλεια απολαβής: Σημειώθηκε μείωση μόλις 1.5 decibels (dB) στο τελικό στάδιο δοκιμών, επίδοση που εγγυάται τη συνέχιση της ασύρματης ζεύξης.
• Συμβατότητα: Πριν την έκθεση στη ραδιενέργεια, οι επιδόσεις του δέκτη μετρήθηκαν και βρέθηκαν απολύτως συγκρίσιμες με τις στάνταρ εμπορικές συσκευές Wi-Fi.
• Πεδίο εφαρμογής: Η τεχνολογία προορίζεται για άμεση ενσωμάτωση στα ρομποτικά συστήματα του High Energy Accelerator Research Organization της Ιαπωνίας.

Γιατί τα ρομπότ στους πυρηνικούς σταθμούς χρειάζονται ασύρματη δικτύωση;

Μέχρι σήμερα, τα ρομπότ που επιχειρούν σε εγκαταστάσεις όπως η Φουκουσίμα βασίζονται σε βαριά καλώδια LAN για την τροφοδοσία και τον έλεγχό τους. Τα καλώδια αυτά συχνά μπλέκονται στα συντρίμμια, εμποδίζοντας την κίνηση. Η μετάβαση σε ανθεκτικά ασύρματα δίκτυα εξαλείφει αυτούς τους φυσικούς περιορισμούς, αυξάνοντας δραματικά την εμβέλεια, την ταχύτητα και την ασφάλεια των αποστολών.

Η διαχείριση της καταστροφής στο εργοστάσιο Fukushima Daiichi έφερε με τον πιο χαρακτηριστικό τρόπο στο προσκήνιο τα όρια της σύγχρονης ρομποτικής. Οι ομάδες διάσωσης και αποξήλωσης διαπίστωσαν νωρίς ότι η πλοήγηση μέσα στα ερείπια είναι σχεδόν αδύνατη όταν το μηχάνημα πρέπει να σέρνει εκατοντάδες μέτρα ενισχυμένων καλωδίων. Ένα συνηθισμένο και κοστοβόρο πρόβλημα είναι η εμπλοκή του καλωδίου σε αιχμηρά μέταλλα ή στενά περάσματα. Κάτι τέτοιο καταδικάζει το ρομπότ σε ακινησία και οδηγεί στην οριστική εγκατάλειψή του στον μολυσμένο χώρο.

Επιπλέον, η ενσύρματη σύνδεση περιορίζει απόλυτα τον αριθμό των μηχανημάτων που μπορούν να επιχειρούν ταυτόχρονα στον ίδιο χώρο, αφού τα καλώδια πολλών ρομπότ θα μπερδεύονταν μεταξύ τους. Το νέο ασύρματο chip επιτρέπει τη δημιουργία τοπικών δικτύων ανθεκτικών στη ραδιενέργεια. Σε ένα τέτοιο δίκτυο, πολλαπλά ρομπότ, αισθητήρες και μικρά drones θα μπορούν να επικοινωνούν μεταξύ τους σε πραγματικό χρόνο, συντονίζοντας τις ενέργειές τους για την τρισδιάστατη χαρτογράφηση και τον καθαρισμό της περιοχής με μεθόδους σμήνους.

Η σύγκριση με τα ηλεκτρονικά συστήματα του Διαστήματος

Η ραδιενέργεια στο εσωτερικό ενός πυρηνικού αντιδραστήρα είναι συντριπτικά μεγαλύτερη από αυτή του Διαστήματος. Τα ηλεκτρονικά των δορυφόρων κατασκευάζονται για να αντέχουν 100 έως 300 Grays σε βάθος τριετίας. Αντίθετα, ένα ρομπότ αποξήλωσης αντιμετωπίζει δόσεις άνω των 500,000 Grays (500 kGy) μέσα σε μόλις έξι μήνες.

Η μονάδα Gray (Gy) μετρά την απορροφούμενη δόση ιονίζουσας ακτινοβολίας. Για να γίνει απολύτως κατανοητή η κλίμακα του ιαπωνικού επιτεύγματος, αρκεί να αναλογιστεί κανείς τα αυστηρά πρότυπα της αεροδιαστημικής βιομηχανίας. Τα εξαρτήματα που ταξιδεύουν στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό (ISS) ή σε αποστολές στον Άρη θωρακίζονται με ειδικά κράματα, αυξάνοντας το βάρος και το κόστος εκθετικά. Ακόμη και αυτά τα πανάκριβα, κορυφαία συστήματα θα αχρηστεύονταν μέσα σε λίγες ώρες ή μέρες εάν τοποθετούνταν δίπλα σε κατεστραμμένες ράβδους πυρηνικού καυσίμου.

Η ικανότητα του ιαπωνικού δέκτη Wi-Fi να επιβιώνει σε εκθέσεις της τάξης των 800 kGy επιβεβαιώνει την επιτυχία μιας εντελώς διαφορετικής μηχανικής προσέγγισης. Αντί για βαριά φυσική θωράκιση από μόλυβδο ή ειδικά πολυμερή, η λύση βρέθηκε στη θεμελιώδη σχεδίαση του ημιαγωγού. Αυτή η επιλογή μειώνει δραστικά το μέγεθος και το βάρος του τηλεπικοινωνιακού εξοπλισμού, επιτρέποντας την τοποθέτηση του δέκτη ακόμη και σε ευκίνητα, μικρά τετράποδα ρομπότ, τα οποία απαιτούν εξαιρετικά ελαφριά εξαρτήματα για να διατηρούν την ισορροπία τους σε ανώμαλα εδάφη.

Η ύπαρξη τηλεπικοινωνιακού εξοπλισμού που δεν επηρεάζεται από ισχυρές ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές ή περιβαλλοντική ακτινοβολία είναι κρίσιμης σημασίας για αυτές τις εφαρμογές. Οι τεχνικές του ιαπωνικού chip μπορούν να προσαρμοστούν για να δημιουργήσουν δίκτυα επικοινωνίας που παραμένουν αδιάλειπτα μέσα σε περιβάλλοντα με έντονο ηλεκτρομαγνητικό θόρυβο, όπως τα σύγχρονα χαλυβουργεία, ή σε υγειονομικές υποδομές που απαιτούν συνεχή απολύμανση με ισχυρή UV-C ακτινοβολία. Επιπλέον, σε εμπορικό επίπεδο, η σταδιακή ενσωμάτωση τέτοιων ανθεκτικών μικροκυκλωμάτων στα επαγγελματικά drones θα αυξήσει κατακόρυφα την επιχειρησιακή τους αξιοπιστία, καθιστώντας τα ιδανικά για τα σώματα ασφαλείας και τις υπηρεσίες πολιτικής προστασίας ακόμα και στην Ελλάδα, ειδικά σε περιπτώσεις διαχείρισης φυσικών καταστροφών.

Η εξέλιξη αυτή εξυπηρετεί απόλυτα την προσέγγιση των «5D» (Dirty, Dangerous, Difficult, Dull, Dear), που αποτελεί τον παγκόσμιο οδηγό για τη χρήση της ρομποτικής. Αναλαμβάνοντας τις επικίνδυνες και δύσκολες εργασίες, τα ρομπότ επόμενης γενιάς δεν θα είναι απλά τηλεχειριζόμενα εργαλεία προσδεδεμένα σε ένα καλώδιο, αλλά πραγματικά αυτόνομοι συνεργάτες.

Η άποψη του Techgear

Η δημιουργία ενός ανθεκτικού Wi-Fi chip από το Institute of Science Tokyo αποδεικνύει περίτρανα πώς τα τεχνολογικά όρια του hardware μπορούν να επαναπροσδιοριστούν όταν υπάρχει ξεκάθαρη, πιεστική ανάγκη. Το γεγονός ότι ένα τόσο μικρό εξάρτημα αντέχει στα 800 kGy, τη στιγμή που τα κορυφαία ηλεκτρονικά της NASA σχεδιάζονται για τα 300 Grays, αποτελεί έναν μηχανικό άθλο. 

Αφενός, λύνει οριστικά το σοβαρότερο πρακτικό πρόβλημα (τα καλώδια τροφοδοσίας/δικτύου) στις επιχειρήσεις αποξήλωσης των πυρηνικών σταθμών, μειώνοντας δραστικά τον κίνδυνο για την ανθρώπινη ζωή και αυξάνοντας την απόδοση των ρομπότ. Αφετέρου, ανοίγει τον δρόμο για τη μαζική βιομηχανική παραγωγή εξαιρετικά ανθεκτικών κυκλωμάτων. 

Τα επόμενα χρόνια αναμένουμε να δούμε αυτή την τεχνολογία να ενσωματώνεται σταδιακά σε επαγγελματικά drones, σε συστήματα αντιμετώπισης καταστροφών και σε διαστημικές εφαρμογές χαμηλότερου κόστους.