复旦“青鸟”衔校歌飞天 破解太空“抗辐射”难题

中青报·中青网记者 王烨捷

1月29日，复旦大学集成芯片与系统全国重点实验室、集成电路与微纳电子创新学院团队研制的“青鸟”原子层半导体抗辐射射频通信系统登上了国际学术期刊《自然》（Nature）。这项研究依托“复旦一号（澜湄未来星）”（以下简称“复旦一号”）卫星平台，填补了二维电子器件太空在轨验证的空白。

高性能通信系统是太空任务的“关键纽带”，如何把信号和信息从太空中传回地球，或者在太空中直接进行传输存储，是太空探索中的一项重点工作。近年来，随着人工智能产业的爆发，人们对算力的需求越来越旺盛，一些科学家开始把“太空算力”纳入了研究进程，尝试用太空算力解决全球算力供给难题。

“过去一般是由卫星在太空中收集数据，再把数据传输回来在地球上进行运算、分析。现在开始要从‘天感地算’向‘天数天算’发展。”复旦大学集成电路与微纳电子创新学院副院长周鹏介绍，“天数天算”就是要让卫星在轨完成数据分析，这样传输效率能提升10倍以上，应急响应时间可以缩短约70%。

而“天数天算”的关键，就是要让半导体通信系统自己就能在天上运转。这可不是一件容易的事。宇宙中高能粒子、宇宙射线等空间辐射无处不在，极易引发电子器件性能退化甚至灾难性故障，严重威胁航天器在轨寿命。更棘手的是，一旦电子系统在太空中失效，几乎无法维修，高昂的替换成本往往令任务难以为继。

造一个电子元器件不难，但如何让这个器件在太空中正常运行就很难了，它得“抗辐射”。

当前主流的抗辐射方案有增加金属屏蔽层、采用冗余设计加固电路等，即在卫星外头包好几层材料来屏蔽辐射，同时在卫星里头“塞”多个相同功能的电子系统和元器件，后者可以在一个器件被辐射照坏了以后，自动顶上一个新器件接续使用。

这种做法，给卫星带来了体积增大、重量上升、功耗攀升等麻烦，与未来航天系统“轻量化、智能化、低成本”的发展趋势背道而驰。

如果能有一个小尺寸、低功耗且抗辐射能力一流的半导体器件与系统出现，就能解决上述问题。这种“好东西”，如今被“脑洞大开”的复旦师生们给找到了，他们不仅把自己的“异想天开”做成了“青鸟”通信系统，还把这个系统塞进了“复旦一号”卫星里头，在太空中“溜达”9个月验证了一番它的传输效率。

中青报·中青网记者注意到，周鹏带领的团队以擅长“异想天开”出名。2025年，团队在短短几个月时间里，连续在《自然》《科学》《自然·电子学》等国际学术期刊“密集投弹”6篇。

周鹏告诉记者，实际上团队早在四五年前就开始布局相关方向的研究。

周鹏介绍团队的最新研究成果。中青报·中青网记者 王烨捷/摄

“搓一个半导体出来不难，难在你能不能想到这个事儿。”周鹏介绍，团队基于对粒子辐射效应的理论推导发现——原子层级的材料在理论上会积累最小的辐射诱导损伤，进而达成空间辐射免疫。

也就是说，从理论上来讲，只要使用“原子层级二维材料”来做通信系统，那么它就具备天然的抗辐射优势，“这种材料是构建下一代空间电子系统的理想候选”。

想到这个“点”以后，团队要做的是把这种通信系统造出来，并拿到太空中去实际验证一番。

复旦大学集成电路与微纳电子创新学院副教授马顺利告诉记者，“青鸟”系统的制作过程远没有想象中“顺利”。师生们完成载荷系统持续了好几年，从材料的选择、晶体管的制备，到后期卫星载荷的调试等，每做一轮实验大约需要6个月时间，“失败很多次”。

最终对“原子层级二维材料天然辐射免疫”猜想进行验证的关键，还是“复旦一号”卫星的发射。这颗卫星本身也是复旦人“徒手搓”的传奇，由复旦大学核科学与技术系副教授杨洋担任主载荷总设计师。

2024年9月24日，很多人不知道的是，这颗卫星发射时捎带上了“复旦大学校歌”，校歌信号就保存在周鹏团队研发的“青鸟”系统里。

复旦校歌跟随卫星“飞入”太空。复旦大学供图

团队将“复旦大学校歌”的原始手稿照片存入“青鸟”系统的存储器中，并完成了以“复旦大学校歌”为信号的太空星内通信传输，最后经卫星天线发射并返回地面站解码后，“复旦大学校歌”信号复原准确无误。此外，“青鸟”系统在轨运行多个月，展现了其优异的抗辐射性和长期稳定性。

团队发表的文章显示，即使在辐射环境更为恶劣的地球同步轨道上，该系统的理论在轨寿命较传统硅基系统提升两个数量级。实验数据显示，该系统发射机-接收机链路的功耗不足传统硅基射频系统的五分之一，显著降低了对星上能源的需求，确保在严苛功率预算下仍能维持高性能通信。

马顺利说，这次论文投稿在《自然》上异常顺利，“论文投出去后，2～3天就收到对方反馈。以往从投递到反馈审稿人，快一些的也要2周到3周。”

周鹏认为，这一发现，为原子层半导体太空电子学开辟了一个具有独特应用潜力的方向，有望成为二维材料从实验室走向航天高价值应用的“催化剂”，“基于原子层半导体的抗辐射电子技术或将引领二维电子学实现产业化跃迁，在支撑下一代卫星互联网、深空探测的同时，将持续吸引全球学术界与产业界的深度布局，加速二维材料走向‘工程现实’”。

来源：中国青年报客户端