Атмосфера Землі досі приховує білі плями, до яких вчені не могли дістатися десятиліттями. Є один особливий шар — мезосфера, яка простягається на висоті від 50 до 85 кілометрів. Тут занадто розріджене повітря для звичайних літаків чи метеозондів, але водночас воно занадто густе для супутників, які просто згорять від тертя. Дослідники з Гарвардської школи інженерії та прикладних наук імені Джона Полсона знайшли елегантне вирішення цієї дилеми. Вони створили крихітні безгвинтові дрони-диски, що левітують виключно за рахунок сонячного світла.
Секрет польоту: як працює фотофорез
Крихітний апарат має форму диска діаметром всього один сантиметр і важить лічені міліграми. Замість моторів та пропелерів він використовує фізичне явище під назвою фотофорез. Сонячні промені нагрівають одну сторону диска сильніше, ніж іншу. У розрідженому середовищі мезосфери молекули газу починають активніше відштовхуватися від теплішої поверхні, створюючи реактивну мікротягу. Цього імпульсу цілком достатньо, щоб утримувати легку конструкцію в повітрі нескінченно довго, поки світить сонце.
Порівняння методів дослідження атмосфери:
| Засіб дослідження | Робоча висота (км) | Головне обмеження в мезосфері |
|---|---|---|
| Літаки та гелікоптери | До 15–20 км | Немає достатньої густини повітря для створення підйомної сили крила. |
| Метеозонди та стратостати | До 35–40 км | Оболонка куль лопається через критично низький зовнішній тиск. |
| Орбітальні супутники | Від 150–200 км і вище | Швидко втрачають швидкість і згоряють у мезосфері через опір повітря. |
| Фотофоретичні мікродрони | 50–80 км | Працюють виключно вдень за наявності сонячного випромінювання. |
Лабораторні тести та нанотехнології
Щоб втілити концепт у життя, розробники використали методи нанофабрикації. Основою диска стала надлегка керамічна плівка з оксиду алюмінію, покрита тонким шаром хрому для максимального поглинання світла. Під час лабораторних тестів у вакуумній камері вчені успішно підняли прототип у повітря при тиску 26,7 паскаля (що еквівалентно висоті 60 км). При цьому інтенсивність штучного освітлення становила лише 55% від звичайної сонячної радіації. Це доводить, що дрони зможуть працювати навіть у хмарну погоду або в періоди низької сонячної активності.
Підсумок
Науковці з Гарвардського університету розробили інноваційні безмоторні мікроскопічні дрони діаметром 1 см для вивчення мезосфери — важкодоступного шару атмосфери на висоті 50–85 км. Апарати виготовлені з надлегкої керамічної плівки та левітують завдяки фотофорезу — виникненню підйомної сили за рахунок різниці температур на освітленому та тіньовому боці диска у розрідженому газі. Успішні випробування у вакуумній камері під тиском 26,7 Па довели життєздатність концепту навіть при слабкому освітленні, що відкриває шлях до створення глобальної мережі моніторингу клімату у раніше недосяжних шарах атмосфери.
