中国团队突破：人造卫星设计寿命首次可延长至30年

文章来源：科技日报

撰文作者：冯晏 科技日报记者 王春

通信系统对于人造卫星至关重要，但其平均寿命往往只有短短几年。这是因为太空中充斥着宇宙射线的持续轰击，如同“枪林弹雨”，会损害通信系统所使用的半导体电子器件性能。

为解决这一难题，复旦大学周鹏、马顺利团队成功研发出“青鸟”原子层半导体抗辐射射频通信系统（以下简称“青鸟”系统）。这项技术不仅将卫星通信系统的理论在轨寿命大幅延长至271年，更显著降低了能耗，仅为传统方案的五分之一，其重量更是“瘦身”到原型的十分之一左右。该系统有望将人造卫星的使用年限，从目前的3年左右一举提升至20到30年。

“青鸟”系统所使用的4英寸原子层半导体抗辐射射频通信芯片。图片来源：复旦大学

近期，“青鸟”系统依托“复旦一号”卫星平台进入太空，在国际上首次实现了二维电子器件与系统的“超长寿命”与“超低功耗”实地在轨验证。北京时间1月29日凌晨，《自然》在线发表了该成果。

周鹏教授介绍，传统的半导体器件若想在太空中正常使用，通常需要采取两种方案。一种是增加冗余备份，例如将原先的一个部件复制成十个，即使一个坏了，还有九个可以继续工作。另一种则是给半导体器件加上一层厚重的金属防护壳，试图将宇宙射线的粒子尽可能挡在外面。但这两种方案都未能从根本上提升器件本身的抗辐射性能，不仅“治标不治本”，还会大幅增加重量和体积，为“寸土寸金”且载荷空间极其有限的航天卫星带来极大负担。

“青鸟”系统所采用的原子层半导体巧妙地解决了这个问题。所谓原子层半导体，指的是将半导体原子在二维平面上进行排布，形成仅有一个或几个原子厚度的单层膜。当宇宙射线的粒子射向这层膜时，就像光穿过一层超薄的玻璃，几乎不会影响到这层膜本身。这层仅有0.68纳米厚度的膜不仅本身重量超轻，也无需增加冗余备份部件或是厚重的防护壳，还具有高度节能的特性，为常常依赖太阳能或有限星载电池的太空任务提供更可靠的能源保障。

马顺利副教授介绍，通过“复旦一号”卫星，“青鸟”系统在距地球约517公里的低地轨道上，成功通过了现实的严峻考验，揭示了该系统在真实宇宙辐射环境下长期工作的稳定性与可靠性。“在轨运行9个月后，传输数据的误码率仍低于一亿分之一。”马顺利表示。