Wie Weltraumteilchen Computer und Handys abstürzen lassen
Ihr Handy ist eingefroren, nichts geht mehr. Alien-Partikel könnten schuld daran sein. Klingt irgendwie absurd. Ist es aber nicht. In Industrie und Forschung ist bekannt, dass winzige Teilchen aus dem Weltraum elektronische Geräte stören, ja lahmlegen können. Und jetzt hat eine US-Studie ergeben, dass moderne Verbraucherelektronik immer anfälliger für kosmische Störer wird. Warum?
Im DLR-School-Lab – dem ersten Club in Bremen für raumfahrtbegeisterte Jugendliche – konnten Clubmitglieder im Oktober 2016 live die ansonsten unsichtbare kosmische Strahlung sehen.
Foto: DLR
Professor Bharat Bhuva heißt der Mann, der sich in vorderster Reihe mit den „Alien particles from outer space“ beschäftigt hat. Er lehrt und arbeitet an der Vanderbilt-Universität in Nashville in Tennessee. Für ihn ist klar, dass oftmals nicht die Hersteller von Computern oder Smartphones verantwortlich sind, wenn es Probleme mit den Geräten gibt, sondern das Weltraumwetter. Auslöser für die Probleme sind elektrisch geladene Partikel, die mit der kosmischen Strahlung von der Sonne oder aus dem All auf die Erde gelangen.
Professor Bhuva: „Wirklich ein großes Problem“
Millionen dieser für uns unsichtbaren Teilchen rasen jede Sekunde durch unseren Körper, ohne Schäden anzurichten. Zumindest sind bislang keine bekannt. Treffen solche Neutronen, Myone, Pione oder Alpha-Teilchen aber auf Elektronik, können sie laut Bhuva „wirklich zu einem großen Problem“ werden. Denn ein Teil dieser Teilchen ist derart hochenergetisch, dass sie mikroelektronische Schaltkreise beeinflussen und einzelne Datenbits im Speicher verändern können und eine 0 in eine 1 umwandeln. Eine solche vorübergehende Störung des Systems wird als Single Event Upset (SEU) oder Soft Error bezeichnet. Ein Problem, das in der Öffentlichkeit wenig bekannt ist.
Autopilot im Flugzeug schaltete sich ab
Doch Bhuva nennt Beispiele aus der Vergangenheit wie die Störung einer elektronischen Wahlmaschine in Belgien, wo ein verändertes Bit 4.096 zusätzliche Stimmen für einen Kandidaten generierte. Der Fehler fiel auf, weil es letztlich mehr Stimmen als Wähler gab. Größer war das Problem, als ein solcher sogenannter „Single Bit Flip“ 2008 dafür gesorgt haben soll, dass sich der Autopilot eines Flugzeugs der Qantas Airways auf einem Langstreckenflug von Singapur nach Perth automatisch abschaltete: Der Flieger sackte innerhalb von 23 Sekunden mehr als 200 m ab. Dabei wurde ein Drittel der Passagiere verletzt.
Chiphersteller gaben neue Studie in Auftrag
2004 ergab eine Studie, dass schon ein kleines Rechenzentrum durch kosmische Störer alle 17 Stunden einen potenziellen Netzwerkfehler erlebt. Wer mit seinem Laptop im Flugzeug arbeitet, würde laut dieser Untersuchung sogar alle fünf Stunden einen „Bit-Flip“ mit negativen Folgen riskieren.
Jetzt, mehr als ein Jahrzehnt später, haben Bhuva und sein Team im Auftrag großer Chiphersteller eine neue Risikostudie erhoben. Dafür wurden die in Chips verwendeten nur 16 Nanometer großen 3D-Transistoren untersucht. Die Unternehmen wollten wissen, ob sich das Problem von Soft Errors vergrößert hat. Denn: Je kleiner die Schaltungen werden, desto weniger Energie ist nötig, um ein Bit von 0 auf 1 oder umgekehrt von 1 auf 0 zu schalten. Es könnte also beim Auftreffen geladener Teilchen aus dem All häufiger zu Störungen kommen. Anderseits könnte die Miniaturisierung aber die Anzahl der Treffer verringern.
Im September 2015 schickte die Nasa RaD-X in die Stratosphäre, um die kosmische Strahlung aus der Sonne und dem interstellaren Raum zu messen.
Quelle: Nasa
Für ihre Studie setzten die Wissenschaftler integrierte Schaltungen einem Neutronenstrahl aus und erforschten, zu wie vielen SEUs es in den Chips kam. Gemessen wurde in FITs (Failure in Time), wobei ein FIT einen Fehler in einem Transistor in einer Milliarde Betriebsstunden bedeutet. Hört sich nach wenigen Soft Errors an, doch da sich in vielen Geräten Milliarden von Transistoren befinden und es Milliarden von elektronischen Systemen gibt, kommen aufs Ganze betrachtet schnell viele Störungen vor. Das Ergebnis: Im Schnitt liegt die Fehlerrate zwischen 100 und 1000 FITs.
Fehlerrate gestiegen
Damit habe die Untersuchung bestätigt, dass es „ein zunehmendes Problem“ mit Alien-Partikeln gibt, sagt Bhuva. Details aus der Studie darf er nicht nennen – sie zählen zu den Geschäftsgeheimnissen der Auftraggeber. Nur noch soviel: Die neuen 16-Nanometer-Schaltungen mit der 3D-Architektur sind zwar deutlich weniger störanfällig wie die vorherige Generation der 2D-Architektur. Allerdings: Es werden immer mehr Transistoren verwendet – und das hebt die SEU-Fehlerrate weiter an.
Drei Meter dicke Betonmauer würde helfen
Und was kann nun getan werden? Der beste Schutz gegen den Teilchenregen aus dem All wäre eine drei Meter dicke Betonmauer, so Studienleiter Bhuva. Eine weniger aufwendige Alternative: Redundanz erzeugen. Das heißt, Prozessoren dreifach anlegen und ihre Ergebnisse miteinander vergleichen. Kommen zwei Prozessoren zum selben Ergebnis, könne dies als richtiges gewertet werden. Denn es sei äußerst unwahrscheinlich, dass sich in zwei Prozessoren gleichzeitig ein Soft Error ereignet. So geht beispielsweise die amerikanische Raumfahrtbehörde Nasa vor, um die Zuverlässigkeit der Computer im Weltraum zu maximieren. Auch werden Halbleiterbauteile heute durch eine Ummantelung geschützt.
Laut Bhuva nehmen die meisten Branchen wie Medizintechnik, IT, Finanz- und Energiesektor das vom Himmel fallende Problem ernst. Bis auf die Unterhaltungselektronik. Bhuva: „Es ist zwar ein großes Problem für die Industrie und die Ingenieure, aber die Allgemeinheit muss sich darüber keine großen Gedanken machen.“ Höchstens darüber, ob sie beim nächsten Computer-Absturz auf den Hersteller schimpft – oder auf das schlechte Weltraumwetter.
Magnetfeld der Erde verhindert das Schlimmste
Übrigens sorgt das Magnetfeld der Erde dafür, dass die meisten hochenergetischen Teilchen, die die Sonne um sich schleudert, nicht bis zur Erdoberfläche durchdringen können. Bei sehr starkem Sonnenwind ist das Magnetfeld allerdings überfordert.
Raumschiffe und Astronauten müssen mit aufwendigen Spezialverkleidungen vor dem Dauerfeuer der Sonnenwinde geschützt werden. Auf der Internationalen Raumstation ISS wurden auch schon Experimente durchgeführt, um zu klären, wie genau der Schutzschild der Erde funktioniert, der den blauen Planeten von elektrisch geladenen Teilchen aus dem All schützt. Das Ziel: vergleichbare Schutzschilder für Raumschiffe.
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