Ученые из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук (SEAS), Чикагского университета и других исследовательских организаций создали легкую наноструктуру, которая поднимается в атмосфере под воздействием солнечного света. Используемый подход, основанный на принципе фотофореза, может обеспечить возможности для изучения мезосферы — одного из самых труднодоступных слоев земной атмосферы.
Из-за того, что мезосфера простирается от 50 до 90 км над поверхностью Земли, она оставалась практически неизученной. Это связано с тем, что она находится за пределами досягаемости для самолетов и аэростатов, но недостаточно высока для спутников. Обеспечение постоянного доступа к этой области позволит существенно повысить точность прогнозов погоды и климатических моделей.
Используемая технология основана на фотофорезе — физическом процессе, заключающемся в том, что в условиях экстремально низкого давления молекулы газа испытывают более сильное отталкивание от нагретой поверхности объекта, чем от холодной. Характерными для мезосферы являются именно такие условия.
«В ходе исследования мы анализируем данный уникальный механизм и его возможность обеспечивать левитацию очень легких объектов посредством светового воздействия », — пояснил ведущий автор исследования Бен Шафер, который ранее был аспирантом Гарварда, а сейчас занимает должность профессора Чикагского университета.
Более десяти лет назад соавтор работы, Дэвид Кит, предложил идею создания фотофоретического устройства, видя в нем способ решения проблемы глобального потепления. Современные нанотехнологии стали ключевым фактором в реализации этого замысла, предоставив возможность разработки ультралегких и одновременно прочных конструкций.
Были созданы тонкие мембраны из оксида алюминия, покрытые слоем хрома. Под воздействием солнечного света нижний слой нагревается интенсивнее верхнего, что приводит к возникновению подъемной силы, способной компенсировать вес объекта.
«В большинстве случаев этот эффект незначителен и остается незамеченным, однако благодаря легкости наших конструкций фотофоретическая сила оказывается больше, чем их собственный вес, что приводит к их подъему », — объяснил Шафер.
Чтобы оценить работоспособность технологии, исследователи применили вакуумную камеру, создающую условия, соответствующие высоте 90 км. При давлении 26,7 Паскаля и освещенности, составляющей 55% от солнечного излучения, устройство продемонстрировало способность подниматься в воздух.
«Впервые ученым удалось сформировать крупные фотофоретические структуры и обеспечить их полет в атмосфере », — отметил Кит. «Это позволяет разрабатывать пассивные устройства, использующие солнечную энергию, что делает их подходящими для изучения верхних слоев атмосферы или, например, для исследования Марса ».
Возможности использования данной технологии весьма широки. Установка датчиков на устройства позволит измерять скорость ветра, давление и температуру в мезосфере, что необходимо для повышения точности климатических моделей. Также подобные системы способны заменить спутниковые решения для связи, предлагая более высокую скорость передачи данных за счет их расположения ближе к поверхности Земли.
В настоящее время специалисты интегрируют системы связи в компактные летательные аппараты».
«Уникальность этой технологии заключается в возможности изучения ранее недоступного слоя атмосферы. До этого момента там не могли долго функционировать никакие устройства », — сказал Шафер. «Это похоже на Дикий Запад, но в сфере прикладной физики ».
Исследование опубликовано в журнале Nature.