通信系統(tǒng)對人造衛(wèi)星來說至關(guān)重要，但其平均壽命僅有數(shù)年。這是因為太空充滿著宇宙射線的“槍林彈雨”，會造成通信系統(tǒng)使用的半導(dǎo)體電子器件性能損傷。
為應(yīng)對這一問題，復(fù)旦大學(xué)周鵬、馬順利團隊成功研發(fā)“青鳥”原子層半導(dǎo)體抗輻射射頻通信系統(tǒng)（以下簡稱“青鳥”系統(tǒng)），不僅將衛(wèi)星通信系統(tǒng)的理論在軌壽命延長到271年，也把能耗降低到傳統(tǒng)方案的五分之一，重量更是“瘦身”到原來的十分之一左右，并有望將人造衛(wèi)星的使用年限由3年左右提升至20-30年。
“青鳥”系統(tǒng)使用的4英寸原子層半導(dǎo)體抗輻射射頻通信芯片。圖片來源：復(fù)旦大學(xué)
近期，“青鳥”系統(tǒng)依托“復(fù)旦一號”衛(wèi)星平臺進入太空，在國際上首次實現(xiàn)了二維電子器件與系統(tǒng)的“超長壽命”“超低功耗”實地在軌驗證。北京時間1月29日凌晨，《自然》在線發(fā)表了該成果。
周鵬教授介紹，傳統(tǒng)的半導(dǎo)體器件想要在太空中正常使用，要么增加半導(dǎo)體的部件，例如把原先的一個部件增加到十個，即使一個壞了，還有九個可以繼續(xù)工作。要么就是給半導(dǎo)體加一個金屬材質(zhì)的保護殼，將宇宙射線的粒子盡可能擋在外面。但這兩種方案都未能提升器件本身的抗輻射性能，不僅“治標(biāo)不治本”，還會大幅增加重量、體積，為航天衛(wèi)星“寸土寸金”且極其有限的載荷空間帶來極大負擔(dān)。
“青鳥”系統(tǒng)采用的原子層半導(dǎo)體巧妙地解決了這個問題。所謂原子層半導(dǎo)體，指的是將半導(dǎo)體原子在二維平面上進行排布，形成只有一個或幾個原子厚度的單層膜。當(dāng)宇宙射線的粒子射向這層膜時，就像光穿過一層超薄的玻璃，幾乎不會影響到這層膜本身。這層只有0.68納米厚度的膜不僅本身重量超輕，也無需增加備份部件或是厚重的防護殼，還具有高度節(jié)能的特性，為常常依賴太陽能或有限星載電池的太空任務(wù)提供更多的能源保障。
馬順利副教授介紹，通過“復(fù)旦一號”，“青鳥”系統(tǒng)在距地球約517公里的低地軌道上，通過了現(xiàn)實考驗，揭示了該系統(tǒng)在真實宇宙輻射環(huán)境下長期工作的穩(wěn)定性與可靠性。“在軌運行9個月后，傳輸數(shù)據(jù)的錯誤率仍低于一億分之一。”馬順利說。
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