Світові науковці стоять на порозі справжньої революції в атмосферній науці, успішно випробувавши пристрої, що самостійно піднімаються вгору за допомогою сонячного світла. Ці мініатюрні мембрани, вперше випробувані в умовах, близьких до вакууму, що панують у верхніх шарах атмосфери Землі, обіцяють відкрити нові обрії для досліджень маловивченого простору, який роками залишався недосяжним.
Ці крихітні, надзвичайно легкі мембрани, виготовлені з оксиду алюмінію та шару хрому, використовують дивовижне явище, відоме як фотофорез. Суть його полягає в тому, що коли одна сторона тонкого матеріалу нагрівається більше за іншу, молекули газу, відбиваючись від теплішої поверхні, штовхають мембрану вгору. Проте, цей ефект надзвичайно слабкий, і тому його можна спостерігати лише в середовищах з дуже низьким тиском, як-от на межі космічного простору.
Під час нещодавнього експерименту, деталі якого були опубліковані 13 серпня в авторитетному науковому журналі «Nature», дослідникам вдалося змусити шматочки матеріалу розміром близько 1 сантиметра плавати у вакуумній камері під впливом світла, інтенсивність якого становила приблизно 55% від природного сонячного світла.
«Це вагомий результат, що доводить реальну працездатність таких пристроїв в умовах, ідентичних верхній атмосфері», — зазначив Бен Шафер, провідний автор статті та дослідник з Інженерно-прикладного факультету Гарвардського університету імені Джона А. Полсона (SEAS). Гарвардський університет — один з найстаріших і найпрестижніших університетів США, розташований у Кембриджі, штат Массачусетс, відомий своїми новаторськими дослідженнями та високоякісною освітою. Журнал «Nature», у якому була опублікована стаття, є одним з найвідоміших і найвпливовіших наукових видань у світі, що публікує першовідкриття з усіх галузей науки.
«Ми говоримо про ту ділянку атмосфери, яку іноді називають “ігноросферою”, оскільки там ніщо не може літати. Можливість відправити туди щось дозволить нам збирати набагато точніші дані, ніж це можливо зараз», — пояснив Бен Шафер в інтерв’ю Space.com.
Розгадка таємниць «ігноросфери»
«Ігноросфера» охоплює мезосферу – шар атмосфери Землі на висотах від 50 до 85 кілометрів – а також частину термосфери, що сягає до 160 кілометрів. Ця зона є надто високою для польотів літаків та метеозондів, але водночас надто низькою для інструментів, що розміщені на супутниках, які перебувають на низькій навколоземній орбіті. Хоча час від часу зондувальні ракети здійснюють вимірювання в цьому регіоні, більшість процесів, що відбуваються там, залишаються маловивченими.
«Ігноросфера» є своєрідним кордоном між газовою оболонкою Землі та відкритим космосом. Саме тут зосереджується більша частина енергії, яку викидають корональні викиди маси Сонця — величезні потоки зарядженої плазми, що вириваються із сонячної корони та досягають Землі. Ці явища можуть спричиняти полярні сяйва, такі як Північне та Південне сяйво, що є результатом взаємодії частинок сонячного вітру з магнітним полем і атмосферою Землі. В «ігноросфері» також відбуваються енергетичні обміни, що призводять до геомагнітних бур, здатних вивести з ладу електромережі та збити супутники з їхніх орбіт. Ці нерозвідані висоти є місцем згоряння супутників під час їхнього повернення до атмосфери, а також зоною накопичення забруднень повітря, що утворюються внаслідок їхньої утилізації.
«Отримання точних даних про вітри, температури, тиск тощо з цього регіону суттєво підвищить точність існуючих глобальних кліматичних моделей», — додав Шафер. — «Це заповнить прогалину, яка у нас є».
Від досліджень до комерціалізації
Бен Шафер та його колега Анжела Фельдхаус створили компанію Rarefied Technologies, що виросла з Інженерно-прикладного факультету Гарвардського університету. Метою стартапу є проведення реалістичних атмосферних експериментів за допомогою таких пристроїв, сподіваючись на їхню подальшу комерціалізацію.
Щоб підіймати мініатюрні датчики та антени в «ігноросферу», мембрани повинні бути дещо більшими – приблизно 6 сантиметрів у діаметрі. «Це буде диск, здатний підняти близько 10 міліграмів (0,0004 унції) корисного навантаження в ближній космос», — зазначив Шафер.
Пристрої планується випускати зі стратосферної кулі на висоті близько 50 кілометрів над Землею. Звідти вони самостійно підніматимуться на висоти до 100 кілометрів, де залишатимуться протягом дня. Вночі пристрої опускатимуться в атмосфері, але якщо вони будуть достатньо легкими, то не впадуть повністю на Землю і знову піднімуться після сходу сонця, пояснив Шафер.
Дослідники зосереджені на вдосконаленні матеріалу та його структури, щоб зменшити вагу, що дозволить створювати більші пристрої.
На шляху до нових горизонтів
Явище фотофорезу було відкрите ще у XIX столітті, але донедавна залишалося переважно поза увагою. Лише останні два десятиліття, завдяки прогресу в матеріалознавстві та технологіях нановиробництва, стало можливим розглядати його практичне застосування.
Шафер та його колеги надихнулися теоретичною працею Девіда Кіта, який на той час був професором прикладної фізики на Інженерно-прикладного факультету Гарвардського університету, а нині працює в Чиказькому університеті. Кіт припустив, що світловідбивні мембрани, що працюють за принципом фотофорезу, можуть бути використані як геоінженерне втручання для зниження температури Землі, якщо світ не зможе стримати зміну клімату шляхом зменшення викидів вуглецю. Девід Кіт керував роботою Шафера до 2023 року.
«Це перший раз, коли хтось продемонстрував, що можна побудувати більші фотофоретичні структури і фактично змусити їх літати в атмосфері», — сказав Кіт у заяві. — «Це відкриває абсолютно новий клас пристроїв: пасивних, що живляться сонячним світлом, та ідеально пристосованих для дослідження нашої верхньої атмосфери».
Шафер вважає, що ця технологія може знайти багато застосувань. Вона може допомогти у вивченні тонкої атмосфери Марса або навіть конкурувати з мегасузір’ями супутникового широкосмугового зв’язку, такими як Starlink від SpaceX. Starlink — це система супутників, розроблена компанією SpaceX, яка надає широкосмуговий доступ до Інтернету по всьому світу, особливо у віддалених районах.
«Якщо розмістити невеликі комунікаційні пакети на борту цих пристроїв і підняти їх у мезосферу, можна буде фактично конкурувати зі швидкістю передачі даних низькоорбітальних сузір’їв», — сказав Шафер.
Він визнав, що пристрої повинні стати значно легшими та більшими, щоб вмістити достатньо великі комунікаційні навантаження та навігаційні блоки для підтримки стабільного положення над фіксованими точками на Землі.
