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Wenn das Weltraumwetter unsere Technik abstürzen lässt

Miniaturisierte Schaltkreise werden immer Störanfälliger für das Weltraumwetter

Die fortschreitenden Miniaturisierung der Schaltkreise in unserer Unterhaltungselektronik, bei medizinischen Geräten oder den Finanz- und Energieunternehmen kann nach einer neusten Studie durch Single Event Upsets (SEU) gestört werden.

Weltraumwetter wird zur Gefahr für unsere Technik
Die verstärkte Strahlung durch Protonen und andere Ionen von der Sonne (in rot) kann zu kritischen Weltraumwetter-Verhältnissen in der Nähe der Erde führen. Sie können zum Beispiel Satelliten stören.
Foto/Copyright: Southwest Research Institute

Wenn das Smartphone oder der Computer mal wieder abstürzt, geht man erst einmal davon aus das dies am Betriebssystem oder der verwendeten Software liegt. Doch Bharat Bhuva, Elektroingenieur-Professor an der Vanderbilt University im Bereich der Radiation Effects Research Group ist da anderer Meinung. Auf dem Jahrestreffen der American Association for the Advancement of Science in Boston im Februar 2017 sagt er, dass die Ursache oft das Weltraumwetter sein, d.h. elektrisch geladenen Partikel, die mit der kosmischen Strahlung von der Sonne oder aus wem Weltraum auf die Erde gelangt.

Dies sein ein „wirklich großes Problem“ meint Bhuva, der Allgemeinheit bleibt dies meistens verborgen. Kosmische Stahlung besteht auf hochenergetischen Teilchen, meist Protonen, welche beim Aufprall auf die Erdatmosphäre in Neutronen, Myone, Pione und Alpha-Teilchen zerfallen. Pro Sekunde treffen Millionen dieser Teilchen auf den Menschlichen Körper auf. Schädlich ist dieser subatomare Teilchensturm auf dem Körper nicht.

Einige dieser Teilchen sind jedoch derart energetisch aufgeladen, dass diese die mikroelektronischen Schaltkreise beeinflussen und mitunter einzelne Datenbits im Speicher verändern können. Diese vorübergehende Störung des Systems nennt man Single Event Upset ( SEU). Zu einer dauerhafte Beschädigung führt dies jedoch nicht, deshalb sprich man auch von einem sogenannten „Soft Error“. Diese Phänomen ist schon länger bekannt, Halbleiterbauteile werden daher bereits durch eine Ummantelung geschützt.

Dennoch sind die Soft Errors nicht ganz harmlos. Als Beispiel nennt Bhuva einen Fehler in einer elektronischen Wahlmaschine 2003 in Belgien, wo ein solcher Soft Error 4096 zusätzliche Stimmen hinzugefügt hat. Aufgefallen ist dieser Fehler nur, weil der Kandidat dadurch mehr Stimmen erhielt, als überhaupt Möglich war. Wenn es also in Zukunft zu Wahlmanipulationen kommt, sollte man nicht gleich Russische Hacker dahinter vermuten, sondern das Weltraumwetter genauer unter die Lupe nehmen

Kosmische Strahlung wird zur Gefahr
Bedenken angesichts der Strahlungswolken bestehen vor allem bei Vielfliegern und Flug-Crews. (picture-alliance / dpa / Daniel Reinhardt)

Ein weiteres Beispiel einen Single Bit Flops ist ein fehlerhafter Autopilot eines Flugzeugs 2008. Innerhalb von nur 23 Sekunden fiel das Flugzeug um 200 Meter ab, zahlreiche Passagiere wurden dabei verletzt. Weitere ungeklärte Computerfehler von Fluggesellschaften sind auf SEUs zurückzuführen. Wie häufig diese SEUs vorkommen, so Bhuva, sei nicht vorhersehbar. Allerdings sei es schwer festzustellen, wie häufig SEUs vorkommen, sagt Bhuva. „Man kann nur dann einen SEU feststellen, wenn man alle anderen Ursachen ausschließt.“

Schaltungen werden immer kleiner

kosmische Strahlung
Von der Atmosphäre gestreute kosmische Strahlung © CERN

Die Forscher machen zahlreiche test mit einem Neutronenstrahl und erforschten, wie viele SEUs in den Chips ausgelöst wurden. Gemessen wird in FITs (Failure in Time), wobei ein FIT einen Fehler in einem Transistor in einer Milliarde Betriebsstunden bedeutet. In einem Gerät können sich Milliarden von Mini-Transistoren befinden , bei Milliarden von elektronischen Geräten Weltweit, würde sich dies sehr schnell addieren. In der Regel liegt die Fehlerrate zwischen 100 – 100 FIT`s.

Untersuchungen über die Strahlungsauswirkungen bei militärischen Anwendungen und in der Weltraumtechnik haben bereits ergeben, dass dies auch für uns auf der Erde ein ernstes Problem darstellt. Bhuva teilte jedoch auch mit, dass die neuen 16 Nanometer Schaltungen mit der 3D-Architektur bereits deutlich weniger störanfällig seinen, wie  noch die vorherige Generation. Da jedoch immer mehr Transistoren verbaut werden, steige die Fehlerrate weite an, so Bhuva.

Es sei sehr aufwendig die Elektronischen System vor den Partikeln des Weltraumwetters zu schützen. Die NASA setzt ein sehr aufwendiges verfahren ein um Ihre Computer im Weltraum zu schützen. So könne man die Systeme durch Redundanz verbessern, indem man Prozessoren dreifach absichert und Ihre Signale Auswertet. Sollten zwei Prozessoren zum selben Ergebnis kommen, so ist auszuschießen, dass sich ein SEU ereignet hat.

Die meisten Branchen nehmen das Thema jedoch nicht ernst, es sei zwar ein großes Problem in der Luftfahrt, bei medizinischen Geräten, der IT oder dem Finanz- und Energieversorgern, „aber die Allgemeinheit muss sich darüber keine großen Gedanken machen“, teilte Bhuva mit…. es sei denn, Ihr Smartphone oder Computer stützt mal wieder wegen dem Sonnenwind ab!

 

Über Dominik

Mein Name ist Dominik, ich bin 28 Jahre alt und Gründer des Weblogs "Sonnen-Sturm.info". Die Astronomie sowie die Beobachtung der Sonnenaktivität ist ein langjähriges Hobby von mir. Mit diesem Weblog möchte ich euch an meinem Hobby teilhaben lassen und hoffe so, einige für die Astronomie begeistern zu können!

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Ein Kommentar

  1. Fehlfunktionen elektronischer Systeme durch Einwirkung des Weltraumwetters führten auch in der Raumfahrt zu Störungen beziehungsweise zum Totalausfall von Satelliten. So erwischte es 1994 den kanadischen Satelliten ANIK und 1997 Telstar 401.

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