Fizycy zbadali wpływ perforowanych nanostruktur na siłę fotoforezy i stworzyli płytki o średnicy centymetra, zdolne do lewitacji w rozrzedzonym powietrzu pod wpływem światła dwukrotnie słabszego niż światło słoneczne. Naukowcy przedstawili również wstępny projekt urządzenia zdolnego do utrzymania 10-miligramowych ładunków w mezosferze przy użyciu światła słonecznego. Autorzy artykułu, opublikowanego w czasopiśmie „Nature”, proponują wykorzystanie struktur fotoforetycznych do komunikacji oraz do badania zjawisk atmosferycznych na Ziemi i Marsie.
Mezosfera to obszar atmosfery położony na wysokości od 50 do 85 kilometrów nad poziomem morza, w którym zachodzą jedne z najbardziej spektakularnych zjawisk atmosferycznych: podczas silnych burz powstają tam skrzaty, od ubiegłego wieku obserwuje się tam obłoki srebrzyste, a w jej wnętrzu błyskają meteory. Pomimo swojej atrakcyjności dla badaczy, mezosfera jest najtrudniej dostępnym obszarem atmosfery: jedynymi pojazdami zdolnymi do lotu w tak rozrzedzonym powietrzu są sondy rakietowe, i to tylko przez kilka minut.
Długotrwałe loty w mezosferze od dawna stanowią obszar badań: odkąd William Crookes zaprezentował światu swój radiometr, naukowcy aktywnie badają fotoforezę – ruch cząstek w rozrzedzonym powietrzu pod wpływem światła. Zachodzi ona, gdy cząstka ogrzewa otaczające ją powietrze z różną intensywnością: albo z powodu nierównomiernego nagrzewania samej cząstki przez światło, albo z powodu różnej zdolności boków cząstki do wymiany ciepła z powietrzem.
W 2021 roku grupa Mohsena Azadiego i jego współpracowników wykorzystała fotoforezę do stworzenia płyt o średnicy 6 milimetrów zdolnych do lewitacji przy gęstościach mezosferycznych w świetle cztery razy silniejszym niż światło słoneczne, dzięki różnym szybkościom wymiany ciepła między bokami dysku a powietrzem. Rok później inna grupa naukowców z USA, Korei i Brazylii, kierowana przez Davida W. Keitha z Uniwersytetu Chicagowskiego, przedstawiła teoretyczny model perforowanego dysku o nośności 285 miligramów w stratosferze. Podstawową siłą nośną modelu był efekt Knudsena — ruch powietrza przez otwory dysku w kierunku rosnącej temperatury. Według autorów jest to najskuteczniejszy mechanizm fotoforetyczny dla dużych obiektów. W swoim nowym badaniu grupa Keitha szczegółowo zbadała wpływ parametrów modelu na siłę nośną i na podstawie uzyskanych wyników stworzyła płyty o wielkości centymetrów, które lewitowały z intensywnością równą 55% natężenia promieniowania słonecznego.
Пластины состояли из двух перфорированных нанометровых мембран, местами соединенных между собой цилиндрическими каналами. Чтобы подобрать оптимальные геометрические, оптические и тепловые свойства конструкции, авторы 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 высот.
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 100 нанометрового алюминия, тогда как нижняя состояла из четырех сменяющих друг друга слоев хрома и алюминия и хорошо поглощала свет, работая как полость Фабри-Перо.
Измерения подъемной силы образцов в зависимости от типа молекул окружающего их газа и его давления показали, что численное моделирование неплохо предсказало экспериментальные данные. 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 10 миллиграмм полезной нагрузки устройства для передачи данных со скоростью 45 мегабит в секунду, при этом объединение устройств в сеть из сотен передатчиков повысит скорость до 10 гигабайт в секунду. Также авторы предлагают использовать полезную нагрузку для измерения температуры, давления и влажности в мезосфере с помощью наноразмерных датчиков. Ученые также обращают внимание, что предложенное ими устройство сможет летать в мезосфере Марса на высотах от 40 до 70 километрах.
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.
