فهرست مطالب
پژوهشگران دانشگاه فودان با توسعه یک سامانه ارتباطی مبتنی بر الکترونیک تکلایه موفق شدند مداری فوق مقاوم در برابر تشعشع بسازند.
به گزارش سرویس فناوری تکناک، فضا محیطی خصمانه برای سامانههای الکترونیکی است. فراتر از سپر مغناطیسی زمین، ماهوارهها زیر بار مداوم پرتوهای کیهانی و ذرات پرانرژی قرار دارند؛ ضرباتی نامرئی که به مرور ساختار ظریف مدارها را فرسوده میکند. پیامد این بمباران تدریجی، اختلال در دادهها، تخریب قطعات و کاهش عمر عملیاتی فضاپیماها است. راهکار متداول مهندسان، افزودن لایههای حفاظتی سنگین است، اما این رویکرد هزینه پرتاب را افزایش میدهد و ظرفیت بار مفید ماموریت را محدود میسازد.
در این میان، پژوهشگران دانشگاه فودان راهحلی متفاوت پیشنهاد کردهاند؛ ساخت مدار از مادهای آنچنان نازک و مستحکم که تشعشع تاثیر ناچیزی بر آن داشته باشد. نتایج آزمایشها چشمگیر است. سامانه ارتباطی اتمی آنها نهتنها ماهها در مدار پایدار ماند، بلکه برآوردها نشان میدهد در محیطهای پرتوزاتر نیز میتواند برای قرنها به فعالیت ادامه دهد. فناوری الکترونیک تکلایه بر پایه دیسولفید مولیبدن (MoS₂) توسعه یافته است؛ مادهای که امکان تولید آن در ضخامت یک لایه اتمی، حدود ۰.۷ نانومتر وجود دارد. در چنین ابعادی، حجم ماده برای ایجاد آسیب ناشی از برخورد ذرات پرانرژی به حداقل میرسد.
حتما بخوانید: پایش گسترده فعالیتهای مغز با مش الکترونیکی انعطافپذیر و سهبعدی
از منظر فیزیکی، این ذرات بدون آنکه نقصهای مخربی ایجاد کنند، میتوانند از لایههای فوقنازک عبور کنند. تیم تحقیقاتی برای تبدیل این مفهوم به یک سامانه کاربردی، ابتدا یک لایه یکنواخت MoS₂ تکاتمی را در مقیاس ویفر ۴ اینچی رشد داد. سپس با بهرهگیری از این بستر، ترانزیستورهایی ساخت که هسته اصلی مدارهای الکترونیکی را تشکیل میدهند. در گام بعد، این ترانزیستورها در قالب یک سامانه کامل ارتباط رادیوفرکانسی مقاوم در برابر تشعشع در بازه فرکانسی ۱۲ تا ۱۸ گیگاهرتز یکپارچه شدند. این سامانه به هر دو ماژول فرستنده و گیرنده مجهز است و قابلیت ارسال و دریافت سیگنال، مشابه تجهیزات مخابراتی ماهوارههای عملیاتی را دارد. نویسندگان مطالعه اعلام کردند: «بر پایه فرایند تکلایه دوبعدی MoS₂ در مقیاس ویفر ۴ اینچی، یک سامانه رادیوفرکانسی مقاوم در برابر تشعشع مبتنی بر ترانزیستورهای لایه اتمی (در بازه ۱۲ تا ۱۸ گیگاهرتز) با قابلیت ارسال و دریافت برای ارتباطات فضایی پیادهسازی کردهاند.»
01
از 02آزمون در شرایط عملیاتی واقعی
این مدارها قبل از پرتاب به فضا، تحت آزمونهای تنش شدید روی زمین قرار گرفتند. پژوهشگران برای بازسازی شرایط پرتوزای مدار، نمونهها را در معرض دوز بالای تابش گاما قرار دادند و سپس با بهرهگیری از ابزارهای آنالیز پیشرفته، ساختار و ترکیب ماده را به طور موشکافانه ارزیابی کردند. میکروسکوپ الکترونی عبوری، نمایی مستقیم از آرایش اتمی ارائه داد. طیفسنجی پراکندگی انرژی هرگونه تغییر در ترکیب شیمیایی را ردیابی کرد و طیفسنجی رامان با اسکن چندنقطهای، آسیبهای احتمالی شبکه بلوری را آشکار ساخت. برآیند بررسیها قابلتوجه بود؛ هیچ نشانه محسوسی از تخریب ساختاری یا شیمیایی در لایه الکترونیک تکلایه مشاهده نشد. از منظر الکتریکی نیز عملکرد قطعات تقریبا بدون تغییر باقی ماند. نسبت روشن/خاموش در سطحی بسیار بالا حفظ شد، نشتی جریان در حداقل ممکن قرار داشت و مصرف توان پایین ماند.
برای مطالعه بیشتر: برچسب فلز مایع الکترونیکی روش جدید توسعه فناوریهای پوشیدنی
مرحله تعیینکننده در مدار انجام شد. سامانه ارتباطی مبتنی بر MoS₂ به مدار پایین زمین در ارتفاع تقریبی ۵۱۷ کیلومتر ارسال شد و به مدت ۹ ماه در معرض محیط پرتوزای فضا فعالیت کرد. نویسندگان مقاله اعلام کردند: «این سامانه الکترونیک تکلایه پس از ۹ ماه عملکرد در مدار، نرخ خطای بیت (BER) کمتر از ۱۰⁻⁸ را در دادههای ارسالی حفظ کرده است؛ شاخصی که از تحمل بالای تشعشعی و پایداری بلندمدت آن حکایت دارد.» به عنوان نمایش عملی قابلیتها، سامانه موفق شد سرود کامل دانشگاه فودان را با شفافیت کامل مخابره و دریافت کند. فراتر از این آزمایش میدانی، تحلیل دادههای پرتویی ثبتشده در مدار و مدلسازی محیطهای فضایی نشان میدهد که این سامانه بالقوه قادر است تا ۲۷۱ سال در مدار زمین به فعالیت ادامه دهد.
بیشتر بخوانید: استقرار بزرگترین آرایه مخابراتی در مدار پایین زمین
02
از 02چشمانداز الکترونیک تکلایه
در صورت تکرار و تایید این نتایج در ماموریتهای آینده، الکترونیک تکلایه میتواند پارادایم طراحی فضاپیماها را تغییر دهد. بهجای تکیه بر سپرهای حجیم و پرهزینه، استفاده از مدارهایی با مقاومت ذاتی در برابر تابش به یک راهبرد عملی تبدیل خواهد شد. پیامد این تحول، کاهش جرم پرتابی، افت هزینههای پرتاب و آزادسازی ظرفیت برای محمولههای علمی و مخابراتی است. علاوه بر این، افزایش دوام قطعات میتواند عمر عملیاتی ماهوارهها، کاوشگرهای اعماق فضا و سکوهای ارتباطی مدار بالا را به طور چشمگیری افزایش دهد. با وجود این، مسیر تجاریسازی کامل همچنان با چالشهایی همراه است. سامانه فعلی، عملکرد ارتباط رادیوفرکانسی را به نمایش گذاشته، در حالی که یک فضاپیمای کامل به اجزایی مانند: پردازندهها، سامانههای حافظه و واحدهای مدیریت توان نیز وابسته است. گسترش تولید در مقیاس صنعتی، ادغام MoS₂ با زیرساختهای نیمهرسانای موجود و اثبات قابلیت اطمینان در ماموریتهای طولانیمدتتر، گامهای تعیینکننده بعدی خواهند بود.
این مطالعه در نشریه معتبر Nature منتشر شده است.
