Исследователи опробовали новый подход к мониторингу труднодоступного участка земной атмосферы с помощью лёгких летающих конструкций.
В процессе, известном как фотофорез, новая структура использует только солнечный свет для полёта, перемещаясь через мезосферу — слой земной атмосферы между 50 и 85 км над поверхностью.
Команда говорит, что устройство может собирать ключевые данные, такие как скорость ветра, давление и температура, и помогать калибровать «мёртвые зоны» в текущих климатических моделях и прогнозировании погоды.
«Раньше ничто не могло устойчиво летать там», — говорит ведущий автор Бен Шафер из Чикагского университета в США. — «Это что-то вроде „Дикого Запада“ с точки зрения прикладной физики».
Мезосфера остаётся в значительной степени неизученной, поскольку она слишком низкая для спутников и слишком высокая для самолётов.
«Это первый раз, когда кто-либо показал, что можно создавать более крупные фотофоретические структуры и заставлять их фактически летать в атмосфере», — добавляет Дэвид Кейт, профессор Чикагского университета.
Как работает фотофорез
Фотофорез происходит, когда свет нагревает молекулы на одной стороне объекта сильнее, чем на другой. Молекулы газа на тёплой стороне отскакивают сильнее, чем на более холодной, что создаёт толчок и поднимает объект вверх. Этот эффект можно наблюдать только в условиях низкого давления, что делает мезосферу идеальной средой для его применения.
«Мы изучаем этот странный физический механизм, называемый фотофорезом, и его способность левитировать очень лёгкие объекты, когда на них направлен свет», — говорит Шафер. — «Обычно это явление настолько слабо относительно размера и веса объекта, на который оно действует, что мы его обычно не замечаем».
Однако команда использовала недавние достижения в области нанотехнологий для создания структуры, настолько лёгкой, что фотофоретическая сила превышала вес самой структуры, что позволяло ей летать.
«Мы разработали процесс нанопроизводства, который можно масштабировать до десятков сантиметров», — говорит Йост Влассак, профессор материаловедения в Чикагском университете. — «Эти устройства достаточно устойчивы и имеют необычное механическое поведение для сэндвич-структур».
Исследователи создали структуру со слоем хрома снизу, который может поглощать солнечный свет. Когда солнечный свет попадает на эту структуру, разница температур между верхней и нижней частью объекта создаёт фотофоретическую силу, которая поднимает объект вверх.
Эксперименты
«Эта статья является одновременно теоретической и экспериментальной в том смысле, что мы переосмыслили, как эта сила рассчитывается для реальных устройств, а затем проверили эти силы, применив измерения к реальным условиям», — говорит Шафер.
Исследователи испытали сантиметровые структуры в камере низкого давления, которую они построили в лаборатории.
В одном из экспериментов команда левитировала структуру шириной 1 см при давлении воздуха 26,7 паскалей, подвергнув её воздействию света примерно с 55% интенсивностью солнечного света. Условия в этом эксперименте моделируют среду на высоте 60 километров над поверхностью в мезосфере.
Хотя команда надеется, что эта лёгкая структура будет играть важную роль в климатологии, устройство также может быть использовано для обороны и аварийной телекоммуникации.
«Это открывает совершенно новый класс устройств: пассивных, работающих на солнечной энергии и уникально подходящих для исследования нашей верхней атмосферы», — говорит Дэвид Кейт. — «Позже они могут летать на Марсе или других планетах».
На Марсе тонкая атмосфера, мало отличающаяся от верхних слоёв атмосферы Земли, поэтому возможно, что это устройство можно будет использовать для исследования и связи на соседней красной планете.
Следующий шаг команды — интеграция бортовой связи, которая позволит устройству передавать данные в режиме реального времени, пока оно находится в атмосфере.
«Я думаю, что делает это исследование интересным, так это то, что технологию можно использовать для исследования совершенно неизученного региона атмосферы», — говорит Шафер.
Результаты экспериментов с воздушным давлением были опубликованы в журнале Nature.