Вчені часто називають мезосферу «ігноросферою» — регіоном, який знаходиться занадто високо для дослідження літаками або метеорологічними кулями, але занадто низько для дослідження супутниками. Незважаючи на наш технологічний прогрес, ми ще не знайшли гідного способу моніторингу цього великого прошарку повітря, який знаходиться на висоті близько 37 миль (60 кілометрів) над поверхнею. Але інженери потроху наближаються до вирішення цієї проблеми — натхненні винаходом 19 століття, схожим на іграшку.

У статті, опублікованій сьогодні в журналі Nature, представлено концептуальне підтвердження надзвичайно легкої дископодібної конструкції, яка левітує завдяки сонячному світлу, не потребуючи палива. Виготовлений з керамічного алюмінію на основі хрому, пристрій плаває за допомогою фотофорезу, що буквально означає «рух, спричинений світлом». Коли сонячне світло потрапляє на пристрій, різниця в температурі та тиску навколо диска створює висхідний потік повітря, який утримує диск у повітрі. Різниця в тиску створює фотофоретичну підйомну силу, достатню для утримання цих маленьких пристроїв у повітрі.

Хоча цей конкретний пристрій був розроблений для дослідження мезосфери, фізичні принципи, що лежать в основі його польоту, можуть бути легко застосовані в майбутніх місіях за межами Землі, включаючи надзвичайно розріджену атмосферу Марса, за умови наявності достатньої кількості сонячного світла, зазначають дослідники.

«Фотофорез не вимагає палива, батарей або фотоелектричних елементів, тому це по суті стійкий механізм польоту», — повідомив в електронному листі до Gizmodo Бен Шафер, головний автор дослідження та науковий співробітник Гарвардського університету. «Ми могли б використовувати ці пристрої для збору революційних даних про атмосферу, що були б корисними для метеорології, телекомунікацій та прогнозування космічної погоди».

Перша ідея з’явилася ще в 1873 році, коли фізик Вільям Крукс винайшов радіометр, що працював на сонячному світлі. Наступні проекти намагалися розвинути винахід Крукса, але з обмеженим успіхом, як пояснив Ігор Баргатін, інженер-механік з Університету Пенсільванії, у супровідній статті News & Views. (Хоча Баргатін не брав участі в новому дослідженні, Шафер назвав його роботу одним з головних джерел натхнення для створення пристрою).

Однак Шафер і його колеги використали попередні напрацювання та останні досягнення в галузі нанотехнологій для створення свого проекту, створивши зразки «блискучих, тонких квадратів з дуже маленькими отворами», як описав їх Шафер. До проекту долучилися дослідники з різних країн, поєднавши теоретичні та експериментальні етапи. Зазвичай фотофоретична сила є слабкою порівняно з розміром і вагою об’єкта, тому її майже неможливо помітити, пояснив Шафер.

Але новий пристрій настільки тонкий і крихітний — приблизно вдвічі менший за монету — що фотофоретична сила фактично перевищує його вагу, змушуючи його левітувати. Щоб перевірити свої розрахунки, команда побудувала в лабораторії камеру низького тиску для імітації атмосферних умов і сонячного світла в мезосфері. На їхню радість, крихітні диски залишилися в повітрі.

Шефер, який зараз є генеральним директором Rarefied Technologies, швидко рухається в напрямку комерційного використання цих пристроїв. Його команда хоче вдосконалити елемент виготовлення, щоб диски могли нести комунікаційну технологію, яка зможе збирати та надсилати назад дані про погоду, сказав Шефер. «Ми плануємо використовувати пасивні пристрої, які можна відстежувати дистанційно за допомогою лідара або радара для збору даних про погоду у верхніх шарах атмосфери; це може досягти пілотної фази за кілька років», – пояснив він.

«Якщо вдасться реалізувати весь потенціал цієї технології, рої або масиви таких фотофоретичних літальних апаратів зможуть збирати дані високої роздільної здатності про температуру, тиск, хімічний склад і динаміку вітру в мезосфері», — додав Баргатін. «Те, що почалося як вікторіанська цікавість, незабаром може стати ключовим інструментом для дослідження найнезбагненнішої області атмосфери».