Солнечная левитация: как наноустройства открывают тайны мезосферы
На высоте от 50 до 100 километров над поверхностью Земли расположена малоизученная область атмосферы — мезосфера. Для самолётов и метеозондов она слишком высока, для спутников — слишком низка, а существующие технологии почти не позволяют её исследовать. Однако понимание процессов в этом слое может повысить точность прогнозов погоды и климатических моделей.
Фотофорез: принцип работы
Фотофорез возникает, когда молекулы газа сильнее отталкиваются от нагретой стороны объекта, чем от холодной, создавая непрерывную подъёмную силу. Этот эффект работает только в условиях крайне низкого давления, характерного для мезосферы.
Исследователи создали тонкие керамические мембраны из оксида алюминия с нижним слоем хрома, поглощающим солнечный свет. При нагреве разница температур между поверхностями генерирует силу, превышающую вес структуры.
«Обычно этот эффект незаметен, так как слаб относительно массы объектов. Но наши сверхлёгкие конструкции буквально взлетают», — объясняет Бен Шефер, ведущий автор исследования.
От теории к практике
Идея возникла более десяти лет назад, когда Дэвид Кейт предположил использование фотофореза для смягчения изменения климата. Совместно с экспертом по нанотехнологиям Джостом Власаком команда создала прототипы, проверив их в вакуумной камере, имитирующей условия мезосферы.
Устройства размером 1 см успешно левитировали при давлении 26,7 Па (аналог высоты 60 км) и освещении в 55% от солнечного. «Это первый случай, когда крупные фотофоретические структуры смогли летать в атмосфере», — отмечает Кейт.
Будущее технологии
Команда видит перспективы в климатическом мониторинге, телекоммуникациях и даже изучении Марса. Устройства с сенсорами могут собирать данные о ветре, температуре и давлении, критические для уточнения климатических моделей. В качестве ретрансляторов они обеспечат связь с низкой задержкой, а на Марсе — заменят традиционные зонды.
Следующий шаг — интеграция систем передачи данных в реальном времени. Стартап Rarefied Technologies, основанный авторами исследования, уже работает над коммерциализацией технологии.
«Это как Дикий Запад в физике: мы открываем дверь в неизведанное», — делится Шефер. С развитием нанотехнологий мезосфера, наконец, перестанет быть «слепой зоной» науки.
Учёные также рассматривают возможность использования фотофоретических структур для управления климатом. Например, распределение микроскопических частиц в мезосфере могло бы отражать часть солнечного излучения, замедляя глобальное потепление. Однако такие проекты требуют тщательного анализа рисков, включая влияние на озоновый слой и атмосферную динамику.
Параллельно идёт работа над увеличением грузоподъёмности устройств. Современные прототипы несут менее грамма, но инженеры экспериментируют с материалами вроде графена и аэрогелей, чтобы добавить функциональные модули — от датчиков космической радиации до миниатюрных спектрометров.
«Представьте рои таких устройств, автономно парящих месяцами и передающих 3D-карту мезосферы», — мечтает Джон-Хён Ким. По его словам, это может стать реальностью уже к 2030 году, открыв новую эру в исследовании атмосферы Земли и других планет.
В нашем Telegram‑канале, и группе ВК вы найдёте новости о непознанном, НЛО, мистике, научных открытиях, неизвестных исторических фактах. Подписывайтесь, чтобы ничего не пропустить.
