宇宙辐射下依然稳定的卫星通信系统

通信系统对于人造卫星的运行至关重要，但它们在太空中的使用寿命通常只有几年。这主要是因为宇宙射线频繁冲击，导致半导体电子器件的性能逐渐受损。为解决这一难题，复旦大学周鹏、马顺利团队研制出了“青鸟”原子层半导体抗辐射射频通信系统，简称“青鸟”系统。该系统不仅显著延长了卫星通信设备的预计在轨寿命至271年，将能耗降低至传统产品的20%，重量也减少至原来的十分之一左右。预计这项技术将人造卫星的服役时间从3年提升到了20年至30年，有望彻底改变卫星通信寿命短的局面。

最近，“青鸟”系统借助“复旦一号”卫星平台已成功进入太空，并首次在国际上实现了二维电子器件和系统超长寿命、超低能耗的实际运行在轨测试。北京时间1月29日，这项成果已在国际学术期刊《自然》上在线发表。

增强空间任务的竞争力

周鹏教授，复旦大学集成电路与微纳电子创新学院副院长，用通俗的比喻讲解传统半导体器件在太空中应对辐射的方法：“一种做法是多设置备份部件，有故障时能轮替使用；另一种则是在器件外加上防护罩。”然而，在“加人”或“穿衣服”这两种方案下，半导体自身对抗辐射的能力并未提升，反而令通讯设备体积和重量猛增，这对于载荷极其有限的航天任务来说是巨大挑战。

“青鸟”系统采用原子层半导体有效规避了上述问题。这一材料通过在二维层面排列半导体原子，形成极薄的单层膜。当宇宙射线作用于这种膜时，其损伤远低于传统的舆情网三维半导体结构，类似光线透过一层纤薄玻璃，几乎不会造成破坏。厚度仅0.68纳米的膜既极为轻盈，无需冗余备份或厚重屏蔽，同时还带来优秀的低功耗表现，为太阳能供电或有限电池能量的航天系统节省宝贵资源。

任何地面实验都难以完美模拟真实太空中的辐射环境。马顺利副教授介绍，通过搭载在离地表517公里的“复旦一号”卫星上，“青鸟”系统展现了真实宇宙辐射下的长期稳定性和可靠性，“在轨运行九个月后，通信误码率依然低于十亿分之一。”这一表现验证了其在实际太空中的效能。

这项创新为太空数据处理开辟了新路径。“未来，我们希望将该技术应用于太空环境中的图像处理和实时计算，让数据无需传回地面即可完成处理。”周鹏认为，“青鸟”系统展现出的原子层半导体抗辐射能力，为高轨卫星、深空探测、星际通信与太空计算等领域构建了坚实的技术基础。

实现全流程自主研发

青鸟系统的研发过程充满挑战，从设计到制造，团队实现了每一个环节的自主创新。马顺利介绍，该项目历时约五年，等待卫星发射的准备也持续了一年左右。从原材料筛选、器件研制、到电路设计和联合调试，每一轮实验都需耗费半年时间。

在研发过程中，团队还攻克了多项技术壁垒。“由于没有现成的原子层半导体设计软件，我们便自主开发了一套，成为国内唯一能够开展相关设计的团队。”

展望未来，马顺利表示技术推广前景广阔。“不仅可以推动抗辐射核心技术的产业化，我们已有的制造链条同样可以嫁接到现有产业体系。”周鹏补充，“青鸟”系统的工艺与现有产能高度兼容，转向量产并不复杂，而且长远来看成本还会下降。

除了航天领域，这项原子层半导体技术在地球上的特殊环境也有应用价值。比如在高辐射的核工业场景，可以利用它提升机器人等设备的抗辐射能力从而安全开展工作。周鹏提到，这一技术有望在更多领域展现其独特贡献。（科技日报上海1月29日电）