Yksi avaruustutkimuksen vaikeimmista ongelmista on avaruusaluksien ja satelliittien energiankulutus. Auringonvalo voi edistää liikkumista jatkuvasti kehittyvien aurinkopaneelien ansiosta, ja NASA suunnittelee jo aurinkopurjeiden käyttöä polttoainetta käyttämättömään tähtien saavuttamiseen, mutta uusi keksintö voi olla avain avaruusteollisuuden vallankumoukseen.
Ryhmä tutkijoita on kehittänyt nanorakenteen, joka pystyy leijumaan valossa, jonka intensiteetti on lähellä auringonvaloa. Tämä läpimurto, joka perustuu yli 150 vuotta vanhaan fysikaaliseen ilmiöön, voi vihdoin mahdollistaa mesosfäärin tutkimisen – yhden vaikeimmin saavutettavista ilmakehän kerroksista.
Nature-lehdessä julkaistussa artikkelissa tutkijat kuvaavat yksityiskohtaisesti, kuinka he onnistuivat luomaan halkaisijaltaan yhden senttimetrin lentävän alustan rei’itetyistä levyistä, joka toimii yksinomaan valon voimalla. Tämä avaa oven uuteen aikakauteen, jossa avaruutta voidaan tutkia äänettömästi ja ilman polttoainetta.
Näiden laitteiden toimintaperiaate perustuu fotofooreeseen – ilmiöön, joka kuvaa nesteen, esimerkiksi ilman, liikettä suhteessa kiinteään pintaan valon vaikutuksesta. Tunnetuin esimerkki on Kruksin radiometri, laite, joka keksittiin leluna yli 150 vuotta sitten. Se koostuu siivistä, joiden toinen puoli on musta ja toinen valkoinen ja jotka pyörivät kirkkaan valon vaikutuksesta.
Alkuperäisen oletuksen vastaisesti niitä ei liiku fotonien paine. Musta puoli absorboi enemmän valoenergiaa ja kuumenee voimakkaammin kuin valkoinen. Ympäröivät kaasumolekyylit, jotka liikkuvat jatkuvasti, kimpoavat tästä kuumasta pinnasta suurella impulssilla ja luovat ilmavirran, joka työntää siipiä ja saa ne pyörimään .
Uusi laite, jonka on kehittänyt amerikkalaisen fyysikon Benjamin Sheaferin johtama ryhmä, parantaa tätä konseptia luomalla pystysuoran nostovoiman . Rakenne koostuu kahdesta rei’itetystä alumiinioksidilevystä, jotka on yhdistetty useilla liitoksilla. Alempi levy on kromipinnoitettu, minkä ansiosta se kuumenee valaistuksessa enemmän kuin ylempi levy.
Tämä lämpötilaero luo fotofoorisen ilmavirran reikien läpi, mikä tuottaa nostovoiman, joka on samanlainen kuin rakettia liikuttava kaasusuihku . Tämä rakenne on merkittävä parannus aiempiin yrityksiin, joissa leijailuun tarvittiin useita kertoja voimakkaampaa valoa kuin auringonvalo.
Uuden rakenteen ydin on siinä, että sidokset minimoivat lämmönjohtavuuden kahden levyn välillä, mikä lisää lämpötilaeroa ja siten nostovoimaa.
Tutki mesosfääriä
Näiden laitteiden pääkohde on mesosfääri, ilmakehän kerros, joka sijaitsee 50–80 kilometrin korkeudella maan pinnasta . Tämän alueen yksityiskohtainen tutkiminen on erityisen vaikeaa, koska ilma on liian ohutta lentokoneiden tai ilmapallojen lentämiseen, mutta liian tiheää kiertoradalla oleville satelliiteille.
Yksi mahdollinen käyttöalue näille leijuville alustoille voi olla pitkäaikaisten in situ -tietojen toimittaminen, koska ne leijuvat äänettömästi ilmassa päivän ajan auringonvalon avulla. Tutkijat olettavat, että maapallon jatkuva infrapunasäteily voi pitää ne ilmassa myös yöllä.
Jotta niiden potentiaali voidaan hyödyntää, nämä hauraat, erittäin kevyet rakenteet on skaalattava niin, että ne voivat kantaa riittävän suuren hyötykuorman tieteellisten tietojen siirtämiseksi suurella läpäisykyvyllä, mikä edellyttää matkapuhelimen kokoisia laitteita niiden kyytiin.
Jos hanke onnistuu, näiden lentokoneiden parvet voisivat seuraavan vuosikymmenen aikana kerätä korkean resoluution dataa tuulen dynamiikasta, kemiallisesta koostumuksesta, korkealla sijaitsevista pilvistä ja jopa meteoriittipölystä mesosfäärissä. Onnistuessaan tutkijat ehdottavat myös niiden käyttöä planeettojen, kuten Marsin, syvälliseen tutkimukseen paljon nopeammin ja halvemmalla kuin esimerkiksi Elon Musk ehdottaa.
Näin ollen se, mikä alkoi viktoriaanisen aikakauden tieteellisenä uteliaisuutena, tulee pian olemaan keskeinen väline galaksin kaukaisimpien alueiden tutkimuksessa.
