Fizycy zbadali wpływ właściwości perforowanych nanostruktur na siłę fotoforezy i stworzyli płytki o średnicy centymetra, zdolne do lotu w rozrzedzonym powietrzu pod wpływem światła dwukrotnie słabszego niż słoneczne. Naukowcy przedstawili również wstępny projekt urządzenia, które mogłoby utrzymać ładunek o masie 10 miligramów w mezosferze, kosztem światła słonecznego. Autorzy artykułu opublikowanego w czasopiśmie „Nature” proponują wykorzystanie struktur fotoforetycznych do komunikacji, a także do badania zjawisk atmosferycznych na Ziemi i Marsie.
Mezosfera to obszar atmosfery położony na wysokości od 50 do 85 kilometrów nad poziomem morza, gdzie zachodzą jedne z najpiękniejszych zjawisk atmosferycznych: pojawiają się tam skrzaty podczas silnych burz, od ubiegłego wieku obserwuje się tam srebrzyste chmury, a meteory wybuchają. Pomimo swojej atrakcyjności dla badaczy, mezosfera jest najbardziej niedostępnym obszarem atmosfery: jedynymi urządzeniami zdolnymi do lotu w tak rozrzedzonym powietrzu są sondy rakietowe, i to tylko przez kilka minut.
Długoterminowe loty w mezosferze to obszar długoletnich badań: od momentu, gdy William Crooks podarował światu swój radiometr, naukowcy zaczęli aktywnie badać zjawisko fotoforezy – ruchu cząstek w rozrzedzonym powietrzu pod wpływem światła. Zachodzi ono, gdy cząstka ogrzewa otaczające ją powietrze z różną siłą: z powodu nierównomiernego nagrzewania samej cząstki światłem lub z powodu różnej zdolności ścianek cząstki do wymiany ciepła z powietrzem.
Już w 2021 roku grupa Mohsena Azady i jego współpracownicy wykorzystali fotoforezę do stworzenia płyt o średnicy 6 milimetrów, zdolnych do lewitacji w gęstościach mezosferycznych w świetle cztery razy silniejszym niż słoneczne, dzięki różnej prędkości wymiany ciepła między bokami dysku a powietrzem. Godzinę później druga grupa naukowców z USA, Korei i Brazylii, kierowana przez Davida W. Keitha z Uniwersytetu Chicagowskiego, przedstawiła teoretyczny model perforowanego dysku z ładunkiem 285 miligramów w stratosferze. Główną siłą nośną modelu był efekt Knudsena — ruch powietrza przez otwory dysku w kierunku wzrostu temperatury. Według autorów jest to najskuteczniejszy mechanizm fotoforezy dla dużych obiektów. W swojej nowej pracy grupa Keity szczegółowo zbadała wpływ parametrów modelu na siłę nośną i na podstawie wyników badań stworzyła płytki centymetrowe, które startowały przy 55 procentach mocy światła 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.
