復旦「青鳥」銜校歌飛天 破解太空「抗輻射」難題

中青報·中青網記者 王燁捷

1月29日，復旦大學集成芯片與系統全國重點實驗室、集成電路與微納電子創新學院團隊研製的「青鳥」原子層半導體抗輻射射頻通信系統登上了國際學術期刊《自然》（Nature）。這項研究依託「復旦一號（瀾湄未來星）」（以下簡稱「復旦一號」）衞星平臺，填補了二維電子器件太空在軌驗證的空白。

高性能通信系統是太空任務的「關鍵紐帶」，如何把信號和信息從太空中傳回地球，或者在太空中直接進行傳輸存儲，是太空探索中的一項重點工作。近年來，隨着人工智能產業的爆發，人們對算力的需求越來越旺盛，一些科學家開始把「太空算力」納入了研究進程，嘗試用太空算力解決全球算力供給難題。

「過去一般是由衞星在太空中收集數據，再把數據傳輸回來在地球上進行運算、分析。現在開始要從‘天感地算’向‘天數天算’發展。」復旦大學集成電路與微納電子創新學院副院長周鵬介紹，「天數天算」就是要讓衞星在軌完成數據分析，這樣傳輸效率能提升10倍以上，應急響應時間可以縮短約70%。

而「天數天算」的關鍵，就是要讓半導體通信系統自己就能在天上運轉。這可不是一件容易的事。宇宙中高能粒子、宇宙射線等空間輻射無處不在，極易引發電子器件性能退化甚至災難性故障，嚴重威脅航天器在軌壽命。更棘手的是，一旦電子系統在太空中失效，幾乎無法維修，高昂的替換成本往往令任務難以為繼。

造一個電子元器件不難，但如何讓這個器件在太空中正常運行就很難了，它得「抗輻射」。

當前主流的抗輻射方案有增加金屬屏蔽層、採用冗余設計加固電路等，即在衞星外頭包好幾層材料來屏蔽輻射，同時在衞星里頭「塞」多個相同功能的電子系統和元器件，后者可以在一個器件被輻射照壞了以后，自動頂上一個新器件接續使用。

這種做法，給衞星帶來了體積增大、重量上升、功耗攀升等麻煩，與未來航天系統「輕量化、智能化、低成本」的發展趨勢背道而馳。

如果能有一個小尺寸、低功耗且抗輻射能力一流的半導體器件與系統出現，就能解決上述問題。這種「好東西」，如今被「腦洞大開」的復旦師生們給找到了，他們不僅把自己的「異想天開」做成了「青鳥」通信系統，還把這個系統塞進了「復旦一號」衞星里頭，在太空中「溜達」9個月驗證了一番它的傳輸效率。

中青報·中青網記者注意到，周鵬帶領的團隊以擅長「異想天開」出名。2025年，團隊在短短几個月時間里，連續在《自然》《科學》《自然·電子學》等國際學術期刊「密集投彈」6篇。

周鵬告訴記者，實際上團隊早在四五年前就開始佈局相關方向的研究。

周鵬介紹團隊的最新研究成果。中青報·中青網記者 王燁捷/攝

「搓一個半導體出來不難，難在你能不能想到這個事兒。」周鵬介紹，團隊基於對粒子輻射效應的理論推導發現——原子層級的材料在理論上會積累最小的輻射誘導損傷，進而達成空間輻射免疫。

也就是説，從理論上來講，只要使用「原子層級二維材料」來做通信系統，那麼它就具備天然的抗輻射優勢，「這種材料是構建下一代空間電子系統的理想候選」。

想到這個「點」以后，團隊要做的是把這種通信系統造出來，並拿到太空中去實際驗證一番。

復旦大學集成電路與微納電子創新學院副教授馬順利告訴記者，「青鳥」系統的製作過程遠沒有想象中「順利」。師生們完成載荷系統持續了好幾年，從材料的選擇、晶體管的製備，到后期衞星載荷的調試等，每做一輪實驗大約需要6個月時間，「失敗很多次」。

最終對「原子層級二維材料天然輻射免疫」猜想進行驗證的關鍵，還是「復旦一號」衞星的發射。這顆衞星本身也是復旦人「徒手搓」的傳奇，由復旦大學核科學與技術系副教授楊洋擔任主載荷總設計師。

2024年9月24日，很多人不知道的是，這顆衞星發射時捎帶上了「復旦大學校歌」，校歌信號就保存在周鵬團隊研發的「青鳥」系統里。

復旦校歌跟隨衞星「飛入」太空。復旦大學供圖

團隊將「復旦大學校歌」的原始手稿照片存入「青鳥」系統的存儲器中，並完成了以「復旦大學校歌」為信號的太空星內通信傳輸，最后經衞星天線發射並返回地面站解碼后，「復旦大學校歌」信號復原準確無誤。此外，「青鳥」系統在軌運行多個月，展現了其優異的抗輻射性和長期穩定性。

團隊發表的文章顯示，即使在輻射環境更為惡劣的地球同步軌道上，該系統的理論在軌壽命較傳統硅基系統提升兩個數量級。實驗數據顯示，該系統發射機-接收機鏈路的功耗不足傳統硅基射頻系統的五分之一，顯著降低了對星上能源的需求，確保在嚴苛功率預算下仍能維持高性能通信。

馬順利説，這次論文投稿在《自然》上異常順利，「論文投出去后，2～3天就收到對方反饋。以往從投遞到反饋審稿人，快一些的也要2周到3周。」

周鵬認為，這一發現，為原子層半導體太空電子學開闢了一個具有獨特應用潛力的方向，有望成為二維材料從實驗室走向航天高價值應用的「催化劑」，「基於原子層半導體的抗輻射電子技術或將引領二維電子學實現產業化躍遷，在支撐下一代衞星互聯網、深空探測的同時，將持續吸引全球學術界與產業界的深度佈局，加速二維材料走向‘工程現實’」。

來源：中國青年報客户端