Вместо тока

Современные спутники несут на борту десятки датчиков, которые следят за температурой, деформациями и состоянием конструкции. На некоторых аппаратах устанавливают радиолокаторы: их антенны создают помехи в проводных линиях связи электрических датчиков, а ток, протекающий по проводам датчика, в свою очередь, излучает паразитные сигналы, мешающие работе радиолокатора. Вместо электрических сигналов можно использовать оптические: по стеклянному волокну передается не ток, а свет — поток фотонов. Фотоны не создают электромагнитных помех и сами не подвержены им, поэтому волоконно-оптические датчики могут работать в непосредственной близости от чувствительной радиолокационной аппаратуры.

Старший инженер-исследователь лаборатории интегральной фотоники Сколтеха (институт входит в группу ВЭБ.РФ) Кирилл Малахов рассказал «Ъ-Науке», почему фотоника является сквозной технологией и какую роль она играет в современной бортовой аппаратуре космических аппаратов, а также о спутнике Skoltech-Lumos, который под его руководством разрабатывается для летной демонстрации фотонных технологий.

Фотоника — это область науки и техники, в которой информация передается с помощью света, а не электричества. Там, где в обычной электронике по проводам бегут электроны, в фотонных устройствах по оптическому волокну или волноводу на чипе движутся фотоны. Это принципиальное различие дает целый ряд преимуществ — помимо устойчивости к электромагнитным помехам, это меньшие масса и габариты, более высокая скорость передачи данных и возможность объединить множество оптических элементов на кристалле размером всего несколько миллиметров.

Именно эти качества делают фотонику сквозной технологией. Один и тот же физический принцип — передача сигнала светом — работает в самых разных задачах: от мониторинга трубопроводов в Арктике до создания высокотехнологичных спутников. Меняется приложение, но не сама физика, а значит, инженерные решения, отработанные в одной области, можно относительно быстро переносить в другую.

Ранее мы в Сколтехе создали стартап «Файбер Пайп», идея которого выросла из задачи нефтегазовой отрасли. Наземные промысловые трубопроводы в Арктике стоят на опорах с шагом 10–20 м. Из-за тающей мерзлоты эти опоры сдвигаются, трубопровод деформируется и рвется, происходят разливы нефти и экологические катастрофы. Похожий случай произошел в Норильске в 2020 году, где из-за просевших свай разрушился резервуар с дизельным топливом, а устранение последствий обошлось в миллиарды рублей, не говоря уже об ущербе для экологии.

Сегодня состояние опор проверяют вручную: специалисты измеряют их положение относительно эталона. Например, на одном из месторождений Ямала 720 км таких трубопроводов — за год не удается осмотреть даже половину. К тому же необходим мониторинг в реальном времени. Наш стартап предложил оптоволоконное решение: датчики регистрируют деформацию и смещение опор по изменению длины волны отраженного сигнала — условно говоря, его «цвета». Но этим применение не ограничилось — те же принципы мы применяем для мониторинга состояния спутника.

Традиционно космические спутники строятся на электронике: медные кабели, электрические датчики, электронные преобразователи сигнала. Но у такого подхода есть принципиальные ограничения, и фотонные технологии позволяют их обойти.

Первое ограничение — электромагнитная совместимость. Как отмечалось ранее, на спутниках с радиолокаторами синтезированной апертуры применение электрических датчиков крайне затруднено: они создают взаимные помехи с антенной. Волоконно-оптические датчики лишены этого недостатка — их можно размещать в непосредственной близости от радиолокаторов и антенн для контроля температуры и деформации критических элементов.

Второе ограничение — скорость передачи данных и архитектура бортовых сетей. Когда скорость передачи достигает сотен гигабитов в секунду, например, на телекоммуникационных спутниках, узким местом становятся электронные компоненты, осуществляющие преобразование сигнала. Именно электрооптическое преобразование и последующая обработка в электронике сегодня занимают значительную часть времени и энергии при передаче данных.

Третье ограничение — масса. Оптоволоконная линия передачи сигнала при сопоставимой пропускной способности весит до трех раз меньше традиционного медного кабеля. Для космического аппарата, где каждый грамм на счету, это означает высвобождение ценного ресурса для размещения полезной нагрузки.

Именно эти ограничения и призван снять наш проект Skoltech-Lumos — малый космический аппарат формата кубсата 3U. Проект победил в конкурсном отборе «Студенческие малые космические аппараты» федерального проекта «Кадры для космоса» Минобрнауки России, а реализацией занимается Проектный центр прикладной фотоники Сколтеха, который ведет комплекс исследований в телекоммуникационной, нефтегазовой и аэрокосмической отраслях.

Главная задача миссии — исследование функционирования полезной нагрузки на основе фотонных технологий в условиях космоса. Сегодня фотоника претерпевает те же изменения, что и электроника в прошлом веке: устройства, которые раньше собирались из дискретных элементов, все чаще интегрируются на одном чипе — в фотонную интегральную схему. Именно такие схемы способны стать новой компонентной базой для космоса. Когда фотонные интегральные схемы докажут свою работоспособность на орбите, на них в перспективе можно будет реализовать критические функциональные устройства — от приемо-передающих модулей для лазерных терминалов связи до многоточечных оптических систем мониторинга состояния спутника. На борту спутника Skoltech-Lumos разместятся две системы на основе фотонных чипов: высокоскоростной оптической связи и опроса оптических датчиков.

Первая — система мониторинга температуры: оптоволоконные датчики будут размещены на конструкции спутника, а устройство их опроса на фотонном чипе собирает и обрабатывает данные. У оптоволоконных датчиков нет подвижных частей, они не проводят ток и обладают повышенной устойчивостью к накопленной радиационной дозе. Для спутников с радиолокаторами синтезированной апертуры это один из немногих работоспособных вариантов.

Вторая — высокоскоростная оптическая бортовая связь. Skoltech-Lumos должен исследовать функционирование оптических бортовых линий связи и фотонного модулятора на чипе для систем коммуникации в условиях космического пространства.

Применение фотонных чипов, особенно в космосе,— тема относительно новая, и развивают ее немногие. В мире существуют единичные коллективы, в основном R&D-отделы международных компаний, которые сразу ориентируют разработки на продукт и не занимаются открытыми исследованиями. Академических лабораторий, работающих на стыке интегральной фотоники и космоса, в мире несколько.

Причина в том, что мало кто вообще дошел до практических применений фотонных чипов, а еще меньше специалистов осознают масштаб проблем, которые при этом возникают. Радиационная стойкость фотонных интегральных схем и их корпусировки остается малоизученной. По некоторым фотонным компонентам информации нет вообще. То, как фотонный чип поведет себя в космосе,— ключевой вопрос, поскольку речь идет о новой перспективной компонентной базе.

Опыт Сколтеха в этом направлении уникален. В нашей лаборатории интегральной фотоники собраны компетенции, охватывающие все этапы: от разработки фотонных чипов и их корпусировки до испытаний устройств и систем на их основе в условиях, имитирующих космическое пространство.

Проект Skoltech-Lumos — один из первых шагов к применению фотонных интегральных схем в отечественных космических аппаратах. Если летная демонстрация пройдет успешно, фотонные чипы смогут стать основой для бортовых систем связи, сенсорики и радиофотонных модулей. Для малых спутников это означает снижение массы, габаритов, энергопотребления и повышение устойчивости к электромагнитным помехам.

Но главное — Skoltech-Lumos наглядно демонстрирует, что фотоника действительно является сквозной технологией. Один и тот же физический принцип, отработанный в наземных задачах, переносится на орбиту. Подготовка такой миссии формирует кадры для космической промышленности и компетенции полного цикла — от разработки чипов до испытаний изделий в условиях космоса. Сегодня таких компетенций в мире немного. Завтра они могут стать базовыми. Благодаря федеральному проекту «Кадры для космоса» появляются такие инициативы, как Skoltech-Lumos, и именно они превращают интегральную фотонику из редкой компетенции в сквозную технологию.