Между 50 и 100 километрами (30–60 милями) над поверхностью Земли лежит малоизученный участок атмосферы, называемый мезосферой. Он слишком высок для самолётов и метеозондов, слишком низок для спутников, и его практически невозможно контролировать с помощью существующих технологий. Однако понимание этого слоя атмосферы может повысить точность прогнозов погоды и климатических моделей.
Новое исследование, опубликованное в журнале Nature группой учёных из Гарвардской школы инженерных и прикладных наук им. Джона А. Полсона (SEAS), Чикагского университета и других организаций, представляет новый способ достижения этой неизученной зоны ближнего космоса: лёгкие летающие конструкции, которые могут плавать, используя только солнечный свет.
«Мы изучаем странный физический механизм, называемый фотофорезом, и его способность левитировать очень лёгкие объекты, когда вы направляете на них свет», — сказал Бен Шафер, ведущий автор статьи и бывший аспирант Гарварда в исследовательских группах Йоста Влассака, профессора материаловедения в SEAS, и Дэвида Кита, ныне профессора Чикагского университета.
Фотофорез возникает, когда молекулы газа отскакивают от тёплой стороны объекта сильнее, чем от холодной, создавая непрерывный импульс и подъёмную силу. Этот эффект проявляется только в условиях экстремально низкого давления, которые как раз характерны для мезосферы.
Исследователи создали тонкие мембраны сантиметрового размера из керамического оксида алюминия с тонким слоем хрома снизу для поглощения солнечного света. Когда свет попадает на эту структуру, разница температур между верхней и нижней поверхностями инициирует фотофоретическую подъёмную силу, которая превышает вес конструкции.
«Обычно это явление настолько слабо относительно размера и веса объекта, на который оно действует, что мы его не замечаем, — сказал Шафер. — Однако мы смогли сделать наши конструкции настолько лёгкими, что фотофоретическая сила больше их веса, и они летают».
Концепция возникла более десяти лет назад, когда Кит предположил различные варианты использования частиц фотофореза, включая их потенциал для снижения климатического потепления. Началось сотрудничество со студентом Шафером и Влассаком, экспертом в области нанофабрикации и экспериментальной механики, чтобы помочь воплотить концепции из теории в реальность.
Сотрудничество стало возможным благодаря недавним достижениям в области нанофабрикации, которые позволяют исследователям создавать низкомассовые наноразмерные устройства с большей точностью.
«Мы разработали процесс нанофабрикации, который можно масштабировать до десятков сантиметров, — сказал Влассак. — Эти устройства довольно устойчивы и имеют необычное механическое поведение для сэндвич-структур. Сейчас мы работаем над методами включения функциональных полезных нагрузок в устройства».
Используя эти методы изготовления, исследовательская группа создала сантиметровые структуры и напрямую измерила фотофоретические силы, действующие на них внутри камеры низкого давления, которую Шафер и бывший аспирант Гарварда Джон-Хён Ким построили в лаборатории Влассака.
Они сравнили полученные результаты с прогнозами того, как такие структуры будут вести себя в верхних слоях атмосферы. Дизайн и изготовление устройств возглавил Ким, который сейчас является профессором Национального университета Пукёна в Южной Корее.
«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», — сказал Шафер.
Ключевой эксперимент, подробно описанный в статье, показывает, что структура шириной 1 сантиметр левитирует при давлении воздуха 26,7 паскалей, когда на неё воздействует свет с интенсивностью всего 55% от солнечного. Это условие давления моделирует то, что происходит на высоте 60 километров над поверхностью Земли.
«Это первый раз, когда кто-то показал, что можно создавать более крупные фотофоретические структуры и заставлять их летать в атмосфере, — сказал Кит. — Это открывает совершенно новый класс устройств: пассивных, работающих на солнечной энергии и уникально подходящих для исследования верхних слоёв атмосферы. Позже они могут летать на Марсе или других планетах».
Команда предполагает ряд возможных применений своего нового устройства, особенно в климатологии. Если оснастить его лёгкими датчиками, оно может собирать ключевые данные, такие как скорость ветра, давление и температура, из региона атмосферы, который долгое время оставался слепым пятном. Эти данные имеют решающее значение для калибровки климатических моделей, которые составляют основу прогнозирования погоды и прогнозов изменения климата.
Другие потенциальные применения включают телекоммуникации для обороны и сценариев реагирования на чрезвычайные ситуации. Использование парка таких устройств может обеспечить плавающую антенную решётку с возможностями передачи данных, сравнимыми со спутниками на низкой околоземной орбите, такими как Starlink, но с меньшей задержкой из-за их более близкого расположения к земле.
Поскольку верхние слои атмосферы Земли имеют общие характеристики с тонкой атмосферой Марса, устройство может облегчить новые способы исследования планет и связи в этой среде.
Следующим шагом команды является интеграция бортовых коммуникационных полезных нагрузок, которые позволили бы устройству передавать данные в режиме реального времени во время полёта.
«Я думаю, что делает это исследование интересным, так это то, что технология может быть использована для исследования совершенно неизученного региона атмосферы. Раньше там ничего не могло устойчиво летать», — сказал Шафер. «Это немного похоже на Дикий Запад с точки зрения прикладной физики».
Исследование, описанное в статье, стало основой для создания дочерней компании Harvard — Rarefied Technologies, которую Шафер и соучредитель Анджела Фельдхаус запустили в 2024 году.
Предоставлено Гарвардской школой инженерных и прикладных наук им. Джона А. Полсона.