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摘 要：研究小组应用硅光子学技术，开发出一种小型轻量化的太空用带电传感器，其传感部分采用“光学技术”，而非传统“电子电路”，有望具备高抗辐射和抗静电放电性能，同时实现低功耗运行，助力商业航天更广阔的发展。
关键词：静电放电（ESD）、光子带电传感器、光子晶体波导、电位差ΔV、小型卫星
要点
- 人造卫星的静电故障是导致卫星故障的主要原因之一，急需开发一种可监测带电状态的传感器。
- 基于硅光子学技术，采用“光”学原理，开发出一种集小型化、轻量化、低功耗和抗辐射性于一体的带电检测传感器——“光子带电传感器”。
- 旨在解决新太空时代所面临的静电风险，例如数万颗规模的小型卫星网络、太空碎片清除和月球基地建设等。
研究小组利用硅光子学技术，开发出一款“人造卫星用静电传感器”。
近年来，利用人造卫星的太空业务蓬勃发展。随着小型卫星网络、私人空间站和月球基地建设等创新型太空任务的提出，卫星需要增加新功能，而从防止太空碎片增加的角度来看，降低卫星故障率变得愈发重要。
由于太空中充满等离子体和辐射，人造卫星暴露在极易带电的环境中。由带电引发的静电故障被视为卫星故障的主要原因之一，但缺乏易用的传感器一直困扰着卫星运营商。
研究小组应用硅光子学技术，开发出一种小型轻量化的太空用带电传感器。由于传感部分采用“光学技术”，而非传统“电子电路”，因此有望具备高抗辐射和抗静电放电性能，同时实现低功耗运行。
未来，研究小组致力于推进技术落地。初期目标是将其应用于人造卫星故障预测和预防，在此基础上将应用领域进一步拓展到太空保险、太空天气、月球基地和火星探测等领域。
研究人员评价
“我们已经开发出世界上性能最高的硅光子器件，但我们始终在思考‘这项技术如何才能造福社会’。我们的研究始于大学衍生初创企业孵化项目，在挖掘企业“痛点”的过程中，我们从行业从业人员那里了解到太空静电问题。从那以后，我们跨领域进入静电与太空研究领域，开启了一项全新领域的挑战。过去三年间，我们进行了数百次访谈，参加了海外展会，并不断反复试错。尽管这一路充满艰辛，但为能和团队一起走到今天而感到自豪。展望未来，我们将通过创业推进技术落地，并将其发展成为支撑太空开发的基础技术。”
现状
近年来，全球太空业务发展迅猛，以至于被誉为“新太空时代”。各种新任务层出不穷，例如利用数万颗小型人造卫星构建太空互联网、建设月球基地、私人空间站、太空数据中心，甚至载人火星探测等。但另一方面，太空是一个充满了由太阳风引发的等离子体与高能辐射的极端恶劣环境。航天器中的电子设备时刻面临带电风险，由于其故障会导致太空碎片的产生，因此减少故障数量是一个紧迫的问题。
当航天器带电时，会与太空之间产生电位差ΔV。该电位差ΔV每时每刻都在波动，当超过一定阈值（通常约为100V）时，就容易发生“静电放电（ESD）”。ESD会对电子设备造成严重损坏，引发误操作或功能失效。实际上，许多航天器故障都与静电有关，因此，静电对策是太空开发中的重要课题之一。
然而，开发一种能够测量航天器与太空之间电位差的通用传感器并非易事。此前，带电监测仅限于部分大型卫星任务，小型卫星尚未积累实用数据。因此，卫星运营商在静电对策方面举步维艰，有时不得不带着风险进行发射。此外，观测数据的匮乏也成为提高太空天气预报精度和扩展太空保险的阻碍因素。解决静电问题对于太空业务的可持续发展至关重要。
目前已有超过10000颗小型卫星在轨运行，但其中大多数卫星并未搭载收集静电信息的传感器。迫切需要一种能够同时满足以下要求的传感器：
- 对ESD与太空辐射具有高耐受性的“测量原理”
- 可集成到小型人造卫星中的“小型化”“轻量化”“低功耗”
- 与卫星成本相匹配的“价格”。
研究成果
研究小组应用硅光子学技术，开发出一种满足上述全部要求的太空用带电传感器——“光子带电传感器”。传感器模块尺寸为30mm×25mm，重量约100g。模块内部搭载一个1mm×1mm的小型硅光波导芯片（采用大表面积光子晶体波导），是检测带电的核心区域。模块连接光纤，可将产生与检测光的电子设备与传感部分分开布置。
本研究将所开发的模块置于类似太空的等离子体环境中，在改变电位差ΔV的同时，测量透过该模块的光强度。结果发现，透射光强度随ΔV变化呈系统性变化。详细分析表明，这是由于等离子体环境下，硅波导中积累的电荷产生了自由载流子，从而增加了光在波导中传播时的吸收损耗，其基于一种在半导体领域众所周知的、被称为“自由载流子吸收”的光学现象。
研究还证实，由于自由载流子吸收强度与电势差ΔV成正比，因此，通过读取透射光强度可以推算航天器与卫星之间的电位差（即带电状态）。此外，研究小组证实，即使在可能发生静电放电(ESD)的大电势差区域，该传感器也能无故障地测量电势。这是因为其测量原理仅使用光路而非电子电路作为传感部位，因此不易受到放电带来的电气损伤。
社会意义
若本技术投入实际应用，就能实时监测航天器的带电状态。其作用类似于汽车上的行车记录仪。若将其搭载于上万颗卫星上，就能实时掌握太空的带电状态。对于以往难以确定原因的航天器事故，包括带电与ESD在内的原因分析将得到推进，有助于故障预测和预防。因此，有望将太空开发中的风险可视化、降低，从而有助于合理化不断上涨的航天保险费用。降低风险和成本将为更多公司和参与者进军太空创造沃土，从而支持太空的可持续发展。此外，通过更精准地掌握太空环境状态，有望在安全太空行走、高精度太空天气预报、极光预报等广泛领域产生连锁反应。
本项目正在加速推进商业化准备工作。未来，研究小组计划成立初创企业，初期目标是将用于人造卫星等航天器的传感器推向市场。静电放电（ESD）是下一代太空活动中一个严峻的问题，例如太空碎片清除、新建空间站、月球基地建设以及载人火星探测等。对此，研究人员指出：
“在未来月球着陆探测与基地建设中，月表土壤带电并附着于月球车与宇航服表面上，导致设备故障是一个严重问题，但此前缺乏小型轻量化的测量设备，难以掌握带电状况。而这款传感器有望在提供环境信息以解决这一问题方面发挥关键作用。”
未来，团队目标是将这项技术发展成为“太空安全基础设施”，以应对随着太空活动日益复杂而不断增加的各种静电风险。
