Левитирующие на солнце пластинки помогут изучать мезосферу. Метод открывает перспективы для исследований атмосферы Земли и Марса

Физики создали алюминиевые пластины сантиметрового диаметра, способные взлетать в разреженном воздухе под воздействием света вдвое тусклее солнечного. Для это ученые численно проанализировали влияние характеристик перфорированных наноструктур на фотофоретическую силу. Авторы статьи, опубликованной в Nature, предлагают использовать фотофоретические структуры для исследования атмосферных явлений Земли и Марса.

Мезосфера — область атмосферы между 50 и 85 километрами над уровнем моря, где происходят одни из самых красивых атмосферных явлений: вспыхивают метеоры, формируются серебристые облака, а во время сильных гроз возникают спрайты. Несмотря на свою притягательность для исследователей, мезосфера — самая труднодоступная область атмосферы: она слишком плотна для полета орбитальных космических аппаратов и слишком разреженная для аэростатов. Единственные аппараты, способные летать в мезосфере — это ракетные зонды, и то лишь несколько минут.

Однако ученые продолжают искать способы реализации продолжительного полета в мезосфере. Один из возможных путей — использовать фотофорез (левитация частиц в разреженном воздухе под действием света). Это происходит, когда частица с разной силой нагревает воздух вокруг себя: либо из-за неравномерного нагрева самой частицы светом, либо из-за разной способности сторон частицы обмениваться теплом с воздухом.

Ученые уже создавали пластинки, способные левитировать в мезосферных плотностях, однако происходило это при свете, в четыре раза мощнее солнечного. Группа ученых из США, Кореи и Бразилии под руководством Дэвида Кейта (David W. Keith) из университета Чикаго предложила концепт перфорированных структур, которые взлетали уже при 55-процентной мощности солнечного света. При разработке ученые сделали упор на возникновении эффекта Кнудсена — наиболее эффективного механизма фотофореза, при котором воздух движется через отверстия диска в направлении увеличения температуры.

Авторы предложили конструкцию, которая представляет собой две скрепленные цилиндрическими каналами перфорированные нанометровые мембраны. Чтобы подобрать оптимальные геометрические, оптические и тепловые свойства, физики провели серию численных моделирований. Суммарно исследование показало, что пик грузоподъемности структур приходится на высоты между 60 и 80 километрами; чем меньше размер структуры, тем эффективнее фотофорез; перфорации увеличивают грузоподъемность больших структур на низких высотах и уменьшают ее для маленьких структур на больших высотах.

Для валидации численных данных ученые создали образцы фотофоретических пластин площадью в один квадратный сантиметр, состоящие из двух областей. Первая область, выполняющая роль прочной рамки, содержала много цилиндрических соединений между перфорированными мембранами. Вторая — фотофоретического двигателя, включала в себя минимум циллиндрических соединений, чтобы снизить теплообмен между мембранами. Для создания разницы температур верхняя мембрана была сделана из нанометрового алюминия, тогда как нижняя состояла из четырех сменяющих друг друга нанометровых слоев хрома и алюминия и хорошо поглощала свет, работая как полость Фабри — Перо.

Измерения подъемной силы образцов в зависимости от состава и давления газа показали, что численное моделирование качественно предсказывает эксперимент при низких давлениях, но не учитывает конвекцию и влияние многоатомных газов при высоких давлениях. Также ученые измеряли фотофоретическую силу образцов в зависимости от силы освещения и обнаружили, что пластины взлетали в воздух уже при 55 процентах мощности солнечного света.

Наконец, на основании данных моделирования, авторы работы предложили концепт аппарата с перфорированной пластиной радиусом 3 сантиметра, способной удерживать на высоте 75 километров полезную нагрузку величиной в 10 миллиграмм. Такой аппарат мог бы летать круглые сутки летом в высоких широтах, в более низких широтах ему бы потребовалась лазерная подсветка с Земли для полета в ночное время. Физики предлагают использовать полезную нагрузку для измерения температуры, давления и влажности в мезосфере с помощью наноразмерных датчиков, а также для создания беспроводных сетей передачи данных. Ученые также обращают внимание, что предложенная ими структура сможет летать в мезосфере Марса на высотах от 40 до 70 километров.

Работа группы Кейта — не первое использование силы Кнудсена для передвижения макроскопических объектов: ранее мы писали, как ученые из Китая притянули кусочек пористого графена на стеклянной подложке с микроньютоновой силой.

Источник