|
Летающие сооружения, работающие на солнечном свете
|
|
|
|
На высоте от 50 до 100 километров (30-60 миль) над поверхностью Земли находится практически неизученный участок атмосферы, называемый мезосферой. Он слишком высок для самолетов и метеозондов, слишком низок для спутников, и его практически невозможно отслеживать с помощью существующих технологий. Но понимание этого слоя атмосферы может повысить точность прогнозов погоды и климатических моделей.
|
|
|
|
Новое исследование, опубликованное в журнале Nature исследователями из Гарвардской школы инженерных и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS), Чикагского университета и других университетов, представляет новый способ достичь этой неизведанной зоны ближнего космоса: легкие летающие конструкции, которые могут летать, используя только солнечный свет.
|
|
|
|
"Мы изучаем этот странный физический механизм, называемый фотофорезом, и его способность поднимать в воздух очень легкие объекты, когда вы направляете на них свет", - сказал Бен Шафер, ведущий автор статьи и бывший аспирант Гарварда в исследовательской группе Йоста Влассака, профессора материаловедения университета Эбботта и Джеймса Лоуренса в SEAS., и Дэвид Кейт, ныне профессор Чикагского университета.
|
|
Как работает фотофорез
|
|
|
|
Фотофорез возникает, когда молекулы газа с большей силой отскакивают от теплой стороны объекта, чем от холодной, создавая непрерывный импульс и подъемную силу. Этот эффект возникает только в условиях экстремально низкого давления, которые в точности соответствуют условиям, существующим в мезосфере.
|
|
|
|
|
|
|
Исследователи изготовили тонкие мембраны размером в сантиметр из керамического оксида алюминия со слоем хрома на дне для поглощения солнечного света. Когда свет попадает на эту конструкцию, разница температур между верхней и нижней поверхностями создает фотофоретическую подъемную силу, которая превышает вес конструкции.
|
|
|
|
"Это явление обычно настолько слабо по сравнению с размером и весом объекта, на который оно воздействует, что мы обычно его не замечаем", - сказал Шафер. "Однако мы можем сделать наши конструкции настолько легкими, что фотофоретическая сила превышает их вес, поэтому они летают.
|
|
|
|
Эта концепция возникла более десяти лет назад, когда Кейт выдвинул гипотезу о различных способах использования частиц фотофореза, включая их потенциал для уменьшения потепления климата. Началось сотрудничество с тогдашним аспирантом Шафером и Влассаком, экспертом в области нанотехнологий и экспериментальной механики, с целью помочь перенести концепции из теории в реальность.
|
|
|
|
Сотрудничество стало возможным благодаря последним достижениям в области нанотехнологий, которые позволяют исследователям создавать маломассивные наноразмерные устройства с большей точностью.
|
|
|
|
"Мы разработали процесс нанотехнологий, который может быть масштабирован до десятков сантиметров", - сказал Влассак. "Эти устройства достаточно эластичны и обладают необычными механическими свойствами для многослойных конструкций. В настоящее время мы работаем над методами включения в устройства функциональных нагрузок".
|
|
|
|
Тестирование устройств в лаборатории
|
|
|
|
Используя эти методы изготовления, исследовательская группа создала структуры сантиметрового масштаба и непосредственно измерила силы фотофореза, действующие на них, в камере низкого давления, которую Шафер и бывший аспирант Гарварда Джонг-Хен Ким построили в лаборатории Влассака.
|
|
|
|
Они сравнили эти результаты с прогнозами того, как такие структуры будут вести себя в верхних слоях атмосферы. Разработкой и изготовлением устройства руководил Ким, который в настоящее время является профессором Национального университета Пукен в Южной Корее.
|
|
|
|
"Эта статья является одновременно теоретической и экспериментальной в том смысле, что мы переосмыслили, как эта сила рассчитывается на реальных устройствах, а затем проверили эти силы, применив измерения к реальным условиям", - сказал Шафер.
|
|
|
|
Ключевой эксперимент, подробно описанный в статье, показывает структуру шириной в 1 сантиметр, левитирующую при давлении воздуха в 26,7 Паскалей при воздействии света, интенсивность которого составляет всего 55% от интенсивности солнечного света. Это давление моделирует то, что находится на высоте 60 километров над поверхностью Земли.
|
|
|
|
"Это первый случай, когда кто-либо продемонстрировал, что можно создавать более крупные фотофорезные структуры и фактически заставлять их летать в атмосфере", - сказал Кейт. "Это открывает совершенно новый класс устройств: пассивные, работающие на солнечном свете и уникально подходящие для исследования верхних слоев нашей атмосферы. Позже они могли бы полететь на Марс или другие планеты."
|
|
|
|
Возможные области применения: зондирование, связь, исследование Марса
|
|
|
|
Команда рассматривает целый ряд возможных применений своего нового устройства, особенно в области климатологии. Оснащенное легкими датчиками, это устройство могло бы собирать ключевые данные, такие как скорость ветра, давление и температура, из области атмосферы, которая долгое время оставалась "невидимой зоной". Эти данные имеют решающее значение для калибровки климатических моделей, которые закладывают основу для прогнозирования погоды и изменения климата.
|
|
|
|
Другие потенциальные области применения включают телекоммуникации для целей обороны и реагирования на чрезвычайные ситуации. Использование парка этих устройств может обеспечить плавающую антенную решетку с возможностями передачи данных, сравнимыми с возможностями низкоорбитальных спутников, таких как Starlink, но с меньшей задержкой из-за их более близкого расположения к земле.
|
|
|
|
Поскольку верхние слои атмосферы Земли имеют общие ключевые характеристики с разреженной атмосферой Марса, устройство могло бы способствовать новым способам исследования планет и коммуникации и в этой среде.
|
|
|
|
Следующим шагом команды является интеграция полезных систем бортовой связи, которые позволят устройству передавать данные в режиме реального времени во время полета.
|
|
|
|
"Я думаю, что интерес к этому исследованию заключается в том, что технология может быть использована для изучения совершенно неизведанной области атмосферы. Раньше там ничто не могло устойчиво летать", - сказал Шафер. "С точки зрения прикладной физики это немного похоже на Дикий Запад".
|
|
|
|
Исследования, описанные в статье, легли в основу гарвардской дочерней компании Rarefied Technologies, которую Шафер и ее соучредитель Анджела Фельдхаус основали в 2024 году.
|
|
|
|
Источник
|
