Drobné sondy mohou surfovat sluneční světlo a prozkoumat pozemskou mezosféru a Mars

Tyto drobné disky se plaví na slunci do záhadné „ignorosféry“ Země “

Podle Payal Dhar editoval Lee Billings

Vědci vymysleli drobné disky peří váhy, které by se mohly vznášet na slunci v Mezosféře Země nebo na tenkém vzduchu Marsu, teoreticky i při přenášení užitečného zatížení. Mezosféra, která se rozprostírá asi 50 až 85 kilometrů nad zemským povrchem, je příliš vysoká na to, aby se k nim dostala balónky letadel a počasí, ale příliš nízká pro přístup satelity, což z něj činí jednu z nejméně studovaných oblastí naší planety. V důsledku toho se to někdy jednoduše nazývá „Ignorosféra“

Nové disky celé centimetrů jsou vyrobeny ze dvou tenkých perforovaných membrán keramické aluminy spojené malými vertikálními podpěrami. Jsou drženi nahoře volanou silou Fotoforéze: Světelný pohyb malých částic při velmi nízkých atmosférických tlacích. V laboratorních experimentech simulují tlak a osvětlení mezosférického vzduchu a vědci ukázali, že jejich zařízení mohou plavat pasivně, bez jakéhokoli zdroje energie. Jejich Výsledky hlášení papíru byly zveřejněny v Příroda 13. srpna.

Fotoforéza způsobuje, že molekuly plynu odrazí silněji z teplejší strany předmětu než chladnější a vytváří proudění vzduchu. V tomto případě výzkumný tým potahoval dno disků chromem, aby absorboval světlo a zahříval více než horní část. Molekuly plynu se tedy odrážejí z spodní části, které získaly více hybnosti než moleb, generují výtah podobný tomu, jak raketový proud produkuje vzhůru. Perforace na discích tento tah zvýšily pomocí efektu zvaného tepelné transpirace, aby pasivně nasměroval vzduch z chladiče na teplejší oblasti. Toto vylepšení zvýšilo výkon disků tak, aby překonal fotoforetické letáky dříve prokázáno jinými skupinamicož vyžadovalo osvětlení několikrát jasnější než osvětlení slunečního světla.

O podpoře vědecké žurnalistiky

Pokud se vám tento článek líbí, zvažte podporu naší oceněné žurnalistiky předplatné. Zakoupením předplatného pomáháte zajistit budoucnost působivých příběhů o objevech a myšlenkách, které dnes formují náš svět.

„Díry ve struktuře poskytují více cest pro proudění vzduchu,“ říká vědec materiálů Ben SchaferSpolečný autor příspěvku, který provedl výzkum jako postgraduální student na Harvardské univerzitě. „Takže vzduch se nejen pohybuje po stranách struktury – pohybuje se.“ přes Struktura také vytváří tyto malé trysky. “

Fotoforéza byla poprvé prokázána v 70. letech 20. století fyzikem Williamem Crookesem. Vyvinul to, co se stalo známé jako a Crookes radiometrToylike zařízení, které točí kovové ploutve, když je vystaveno slunečnímu světlu. Ale protože fotoforéza funguje pouze při velmi nízkých tlacích a vytváří velmi slabou sílu, bylo to dlouho považováno za pouhou novinku. To se začalo měnit před několika desítkami let, říká Schafer, protože pokroky v nanofabrikaci umožnily vědcům, aby zařízení dostatečně osvětlila, aby mohla levitovat pomocí skromné síly fotoforézy samotné.

Navrhování disků k využití tepelné transpirace a jejich optimalizaci k přepravě největších možných užitečných zatížení vyžaduje pečlivé výpočetní modelování mezosférických podmínek a fotoforetických sil, říká Schafer. Tato přípravná práce umožnila týmu učinit informované kompromisy, například mezi hustotou perforací a počtem podpůrných oproti výsledné loftingové síle při daném atmosférickém tlaku. Toto „nám poskytlo opravdu dobrý vhled do toho, co by vytvořilo efektivní strukturu“ pro mezosférický let, říká.

Pomocí laseru k napodobování slunečního světla vědci prokázali fotoforetickou levitaci na jejich centimetrových strukturách v nízkotlaké komoře v laboratoři. Navrhli také šesticetimetrovou verzi disku, aby nesla 10miligramová užitečná zatížení-což by teoreticky stačilo k napájení malého komunikačního systému s radiofrekvenční anténou, solárním článkem a integrovanými obvody. Tým počítá, že tato větší verze disku by mohla zůstat ve výšce 75 km během dne; V létě v polárním zeměpisných šířkách by mohl dokonce dosáhnout konstantního mezoferického letu, který byl udržován po západu slunce fotoforetickou silou infračerveného světla vycházejícího z postupného chlazení Země.

Ruth Lieberman, heliofyzika, která pracovala na dřívějších pokusech o fotoforetickou technologii, ale nebyla do tohoto projektu zapojena, nazývá to skvělý design. „Dokud svítí slunce, budou tyto věci fungovat,“ říká. „Jsou také vyrobeny z velmi levných materiálů. Jakmile se dostanete přes prototypovou fázi a můžete přijít na to, jak vyrábět (v měřítku), zasáhne mě to jako opravdu potenciálně fantastické řešení pro pozorování atmosféry za velmi nízké náklady způsobem, který vám poskytne velmi dobré prostorové časové pokrytí.“

Schafer předpokládá budoucnost, ve které se roje těchto struktur používají pro atmosférické snímání a telekomunikace nejen v mezosféře Země, ale také v nepatrné atmosféře Marsu, která vykazuje podobně nízké tlaky. Schafer spoluzakládal společnost částečně založenou na novém výzkumu, který vyvíjí nové iterace disků a plánuje zahájení testovacích letů bez atmosféry bez užitečného zatížení již v roce 2026.

Vytváření disků, které jsou skutečně schopné tahat vlastní váhu v mezosféře nebo za nimi, je impozantním úkolem- zaměřuje se na pěti až desetiletý projekt, říká Schafer. „Pokud byste chtěli na palubu těchto zařízení dát užitečné zatížení, myslím, že je to určitě proveditelné, ale bude to trvat hodně času a práce,“ říká. Dodává se škálováním, což bude výzvou pro výrobu materiálů, která zaručuje další výzkum.