Теория и математика говорили, что устройство будет летать, но Бен Шафер все равно был приятно удивлен, когда созданное его командой устройство с диаметром сантиметр действительно полетело. Это стало доказательством концепции, которая однажды позволит роям крошечных летающих лепестков без движущихся частей исследовать верхние слои атмосферы Земли, используя только солнечный свет.
Искусственные «лепестки» левитируют только за счет солнечного тепла
Физик Бен Шафер из Гарвардского университета и его команда создали устройство размером с монету, способное левитировать под воздействием только солнечного света в разреженном воздухе. Именно такие условия есть в мезосфере — слое атмосферы 50-100 км от Земли. Там такие устройства летающие без движущихся частей способны парить неограниченно долго и нести датчики, передающие состояние атмосферы. Крохотные «летающие тарелки» могут исследовать и атмосферу Марса. Принцип, на котором основано устройство, был открыт и исследован 150 лет назад.
Устройства (иллюстрация художника), удерживаемые в воздухе солнечным светом, могут доставить датчики в верхние слои атмосферы. Schafer et al. Nature (2025)
В основе летающего устройства лежит физическое явление, открытое и описанное английским физиком Уильямом Круксом и в 1874 году воплощенное в устройстве под названием радиометр Крукса. Это небольшой легкий флюгер, который в камере низкого давления вращается под действием света.
Радиометр Крукса (или вертушка Крукса) — четырехлопастная крыльчатка, уравновешенная на игле внутри стеклянной колбы с небольшим разрежением. При попадании на лопасть светового луча крыльчатка начинает вращаться. Причиной вращения служит радиометрический эффект — возникновение силы отталкивания за счет разницы кинетических энергий молекул газа, налетающих на освещенную, нагретую сторону лопасти и на противоположную, более холодную. Открыл этот эффект и построил радиометр (вертушку) в 1874 году английский физик и химик Уильям Крукс.
Развивая идеи Уильяма Крукса, который в конце XIX века построил устройство. работающее на том же принципе, команда Шафера применила современные нанотехнологии для создания сверхлегкой двухслойной пластины. Два слоя из оксида алюминия в тысячу раз тоньше человеческого волоса соединены тонкими нитями. Верхний слой прозрачен, он пропускает солнечный свет, а нижний покрыт хромом, поглощающим излучение. Работа опубликована в журнале Nature.
Когда молекулы газа сталкиваются с нижним слоем, они поглощают его тепло и отскакивают с большим импульсом, чем от холодного верхнего слоя, создавая подъемную силу. Условия для полета такого устройства существуют в мезосфере — слое атмосферы на высоте 50-100 километров над поверхностью Земли.
Главное — проделать дырки
Особенность устройства Шафера — перфорированные отверстия в обоих слоях, позволяющие газовым молекулам перемещаться с холодной стороны на горячую, создавая подъемную силу, подобную вращающемуся ротору вертолета.
Технология может открыть новые возможности для исследования области атмосферы, слишком высокой для самолетов и воздушных шаров, но слишком низкой для спутников. Такие устройства также могут исследовать атмосферы Марса и других планет.
Атмосфера Земли. Вид из космоса. Снизу оранжевая тропосфера с силуэтами облаков, над ней бело-голубая стратосферы. Еще выше — мезосфера (розовая область), простирающаяся до границы космоса на высоте 100 км, и еще выше — розовая линия свечения нижней термосферы (сама термосфера — темная), в которой расположены зеленые и красные авроры.
Команда уже разработала большую «летающую тарелку» диаметром 6 сантиметров, теоретически способную летать на высоте 75 километров с полезной нагрузкой 10 миллиграммов — достаточной для размещения микроэлектроники дистанционного зондирования и связи. Для полета устройство необходим только солнечный свет, оно может оставаться в воздухе неограниченно долго на высоких широтах летом или днем на низких широтах.
Инженер из Университета Пенсильвании Игорь Баргатин, работающий над аналогичным проектом, отмечает: «Еще предстоит значительная работа, прежде чем у нас появятся аппараты, способные летать в мезосфере, но это открытие, безусловно, приближает такую возможность».