Исследователи из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук (SEAS), Чикагского университета и других научных учреждений разработали легковесную наноструктуру, способную подниматься в атмосфере за счет солнечного света. Этот метод, основанный на явлении фотофореза, может открыть доступ к изучению мезосферы — одного из самых труднодоступных слоев атмосферы Земли.
Мезосфера, расположенная на высоте от 50 до 90 км, долгое время оставалась малоисследованной, поскольку она слишком высока для самолетов и воздушных шаров, но слишком низка для спутников. Регулярный доступ к этой области позволит значительно улучшить точность прогнозирования погоды и климатических моделей.
Новая технология использует фотофорез — физический процесс, при котором молекулы газа сильнее отталкиваются от нагретой стороны объекта, чем от холодной, в условиях крайне низкого давления. Именно такие условия характерны для мезосферы.
«Мы изучаем этот необычный механизм и его способность заставлять очень легкие объекты левитировать под воздействием света», — пояснил ведущий автор исследования Бен Шафер, бывший аспирант Гарварда, а ныне профессор Чикагского университета.
Идея создания фотофоретического устройства возникла более десяти лет назад у соавтора работы Дэвида Кита, который рассматривал его как инструмент для борьбы с глобальным потеплением. Реализовать замысел помогли современные методы нанотехнологий, позволившие создать сверхлегкие и прочные конструкции.
Команда разработала тонкие мембраны из керамического оксида алюминия, покрытые слоем хрома. При поглощении солнечного света нижний слой нагревается сильнее верхнего, создавая подъемную силу, достаточную для преодоления веса объекта.
«Обычно этот эффект настолько слаб, что мы его не замечаем, но наши конструкции настолько легкие, что фотофоретическая сила превосходит их вес, и они взлетают», — объяснил Шафер.
Для проверки технологии ученые использовали вакуумную камеру, имитирующую условия на высоте 90 км. При давлении 26,7 Паскаля и освещенности в 55% от солнечной устройство успешно поднялось в воздух.
«Это первый случай, когда удалось создать крупные фотофоретические структуры и заставить их летать в атмосфере», — отметил Кит. «Это открывает путь к созданию пассивных устройств, работающих на солнечной энергии, которые идеально подходят для исследования верхних слоев атмосферы или даже других планет, таких как Марс».
Потенциальные применения технологии многообразны. Оснастив устройства датчиками, можно измерить скорость ветра, давление и температуру в мезосфере, что критически важно для уточнения климатических моделей. Кроме того, такие конструкции могут стать альтернативой спутниковым системам связи, обеспечивая более высокую скорость передачи данных благодаря близости к Земле.
Сейчас команда работает над интеграцией систем связи в свои миниатюрные «воздушные корабли».
«Самое интересное в этой технологии — возможность исследовать совершенно неизученную область атмосферы. Раньше ничто не могло там долго находиться», — сказал Шафер. «Это как Дикий Запад в мире прикладной физики».
Исследование опубликовано в журнале Nature.
