Wi-Fi reforçado contra radiação para robótica na indústria nuclear

Os pesquisadores criaram um receptor Wi-Fi resistente o suficiente para funcionar dentro de um reator nuclear. Eles esperam que o receptor possa fazer parte de um sistema de comunicação sem fio para robótica usado para desativar reatores.

Yasuto Narukiyo, estudante de pós-graduação do Institute of Science Tokyo, apresentou o receptor sem fio na Conferência Internacional de Circuitos de Estado Sólido (ISSCC) do IEEE, em São Francisco, em fevereiro. O receptor suportou uma dose total de radiação de 500 quilograys, ordens de magnitude superiores às doses normalmente toleradas pela eletrônica no espaço sideral.

Após o desastre nuclear de 2011 na usina de Fukushima Daiichi, os engenheiros começaram a usar robôs para ajudar a caracterizar e limpar o local. A maioria deles requer cabos de rede local (LAN) que podem ficar emaranhados, diz Narukiyo. Sua equipe, que inclui seu conselheiro Atsushi Shirane e Masaya Miyahara da Organização de Pesquisa de Aceleradores de Alta Energia (KEK) do Japão, tem como objetivo desenvolver um sistema sem fio para controlar robôs neste ambiente hostil.

Mesmo em circunstâncias menos dramáticas, as centrais nucleares não duram para sempre e precisam de ser desmanteladas e descontaminadas com segurança para que os locais possam ser reutilizados, um processo denominado descomissionamento. O processo é demorado e corre o risco de expor as pessoas à radiação, razão pela qual os engenheiros esperam que os robôs possam ajudar.

A necessidade de tais robôs só está crescendo. De acordo com um estudo de 2024, dos 204 reactores que foram encerrados, apenas 11 centrais com capacidade superior a 100 megawatts foram totalmente desactivadas e mais 200 reactores chegarão ao fim da sua vida útil nos próximos 20 anos.

Embora a eletrónica para a exploração espacial seja normalmente obrigada a suportar doses de radiação de 100 a 300 greys ao longo de três anos, um robô a operar num reator nuclear precisa de suportar mais de 500 kGy ao longo de seis meses, diz Narukiyo – pelo menos 1.000 vezes a dosagem. Um braço robótico fabricado pela KUKA foi capaz de suportar apenas 164,55 Gy de dano antes de falhar. Para efeito de comparação, o cristalino do olho absorve apenas 60 miligrays durante uma tomografia computadorizada do cérebro.

Para “endurecer” o receptor Wi-Fi de 2,4 gigahertz contra níveis intensos de radiação, Narukiyo e sua equipe mudaram sua mistura de componentes, minimizaram o número total de transistores e mexeram na geometria dos transistores que sobraram.

Os transistores, MOSFETs de silício (semicondutores de óxido metálico efeito de campo transistores), contêm uma camada de óxido que é particularmente vulnerável a danos por radiação. Explosões de raios gama podem reter cargas positivas no óxido, degradando o desempenho do dispositivo e causando erros. Eles também mudaram o design dos próprios transistores. A porta do dispositivo controla o fluxo de corrente através do transistor. Quanto menor for, mais seu desempenho será degradado por uma dose de radiação. Então eles fizeram os portões mais longos e largos.

Os pesquisadores testaram o receptor Wi-Fi colocando-o em cima de uma fonte de radiação.Yasuto Narukiyo, Sena Kato e outros.

Em segundo lugar, eles consideraram as diferenças em como a radiação afeta os transistores PMOS, nos quais a corrente é transportada principalmente por cargas positivas, e os NMOS, onde os elétrons fluem. Os transistores PMOS são mais vulneráveis ​​a danos por radiação porque a carga positiva fica presa tanto no óxido quanto na interface entre o óxido e o resto do semicondutor. Isso se soma e muda o transistor para o estado desligado, diz Narukiyo. Para compensar, o novo design do receptor minimiza o uso de PMOS, substituindo esses transistores por outros elementos, como indutores que não possuem camada de óxido. Os transistores NMOS são mais resistentes, diz Narukiyo, porque as cargas positivas presas no óxido são, até certo ponto, anuladas pelas cargas negativas que ficam presas na interface.

Narukiyo e sua equipe mediram o desempenho do receptor antes da exposição à radiação e novamente após aplicá-lo com uma dose total de 300 kGy e depois 500 kGy. Antes de ser irradiado, apresentava desempenho comparável ao de receptores Wi-Fi típicos. Depois de atingir a dose de radiação mais alta, o ganho do receptor diminuiu cerca de 1,5 decibel.

Narukiyo diz que o receptor está suficientemente reforçado e agora espera melhorar seu desempenho. Ele também está trabalhando em um transmissor, que permitiria comunicações bidirecionais. Isto é mais desafiador devido à necessidade de produzir altos níveis de corrente para gerar o sinal Wi-Fi. Ele diz que uma versão anterior que experimentou foi quebrada por uma dose de 300 kGy. O grupo está explorando o uso de outros semicondutores, como o diamante, para fortalecer o transmissor.