Эпоха ракет заканчивается? Ученые нашли способ достигать космоса без единой капли топлива
Представьте себе огромное, практически невидимое «море» прямо над нашими головами. Оно начинается там, где уже не могут летать самолёты, но ещё не вращаются по орбитам спутники. Этот слой, известный как мезосфера, простирается на высоте от 50 до 100 километров и остаётся одним из самых больших «белых пятен» в нашем понимании планеты. Мы отправляем роверы на Марс и телескопы к границам Вселенной, но этот неуловимый регион собственной атмосферы до сих пор был для нас практически недоступен. Почему? Потому что туда просто нечем добраться.
До недавнего времени. Группа учёных из Гарварда и Чикагского университета предложила решение, настолько изящное, что оно кажется взятым из научной фантастики: крошечные, сверхлёгкие аппараты, которые парят в атмосфере без двигателей, без топлива и без единой движущейся части. Их единственная движущая сила — солнечный свет.
Ответ из прошлого: магия фотофореза
Как заставить что-то летать без двигателя? Ответ лежал на пыльных полках науки почти полтора века. Феномен называется фотофорез — эффект, открытый ещё в XIX веке, но долгое время считавшийся не более чем лабораторным курьёзом.
Позвольте объяснить. В условиях очень разрежённого воздуха, как в мезосфере, молекулы газа ведут себя иначе. Когда луч света нагревает одну сторону крошечного объекта, молекулы, сталкивающиеся с этой тёплой поверхностью, отскакивают от неё с большей энергией, чем от холодной стороны. Представьте себе миллионы микроскопических рук, которые постоянно и сильнее толкают объект с одной стороны. Если этот объект достаточно лёгкий, суммарный импульс от этих столкновений создаёт подъёмную силу, способную побороть гравитацию.
Именно этот, казалось бы, незначительный эффект исследователи решили поставить себе на службу. «Мы изучаем эту странную физику, — говорит ведущий автор Бен Шейфер, — её способность заставлять очень лёгкие объекты левитировать». Ключевое слово здесь — «очень лёгкие». Ведь на Земле, при обычном давлении, сила фотофореза настолько слаба, что мы её попросту не замечаем.
От идеи к летающему «ковру-самолёту»
Но как превратить эту идею в реальное устройство? Здесь в дело вступают чудеса современных технологий. Учёные создали тончайшие диски сантиметрового размера, настоящие летающие «коврики». Их основа — лёгкая керамика из оксида алюминия. Нижняя сторона покрыта тонким слоем хрома, который эффективно поглощает солнечный свет и нагревается.
Когда солнце освещает такой диск в разрежённой атмосфере, его нижняя часть становится теплее верхней. Этой разницы температур достаточно, чтобы запустить фотофорез и создать подъёмную силу. И вот что поразительно: благодаря достижениям в нанопроизводстве, эти конструкции удалось сделать настолько лёгкими, что фотофоретическая сила превышает их собственный вес.
В лаборатории команда воссоздала условия, царящие на высоте 60 километров. В вакуумной камере при давлении всего 26,7 Паскаля (ничтожное значение по сравнению с привычным нам) и при освещении, составляющем лишь 55% от мощности прямого солнечного света, сантиметровый диск уверенно взмыл вверх. Это был триумф: впервые было доказано, что можно построить достаточно крупные объекты, которые действительно летают на одном лишь свете.
«Это открывает совершенно новый класс устройств, — отмечает профессор Дэвид Кит, — пассивных, питаемых солнцем и уникально подходящих для исследования нашей верхней атмосферы».
Дикий Запад прикладной физики: что дальше?
Успешный эксперимент — это не просто научное достижение, это ключ к ранее запертой двери. За ней — целый мир возможностей, который сами исследователи в шутку называют «Диким Западом прикладной физики».
- Погода и климат: заполняя пробелы. Главная цель — наконец-то изучить мезосферу. Запустив туда целую флотилию таких аппаратов с миниатюрными датчиками, учёные смогут в реальном времени собирать данные о ветре, давлении и температуре. Эта информация бесценна. Современные климатические модели и прогнозы погоды строятся на огромных массивах данных, и мезосфера до сих пор была в них огромной «дырой», вносящей погрешности. Заполнив этот пробел, мы сможем сделать наши прогнозы куда точнее.
- Связь нового поколения. Представьте себе рой таких парящих платформ, работающих как единая антенная решётка. Это может стать альтернативой спутниковым системам вроде Starlink, но с одним важным преимуществом: находясь гораздо ближе к Земле, такие «атмосферные спутники» обеспечат передачу данных с минимальной задержкой. Это критически важно для военных, спасательных операций и других областей, где на счету каждая миллисекунда.
- Привет, Марс! Атмосфера Марса очень разрежена и по своим характеристикам напоминает земную мезосферу. Это значит, что технология, созданная для изучения нашего «околокосмоса», идеально подходит для Красной планеты. Бесшумные, вечные (пока светит солнце) летательные аппараты могли бы часами парить над марсианскими каньонами, проводя разведку и служа ретрансляторами для роверов на поверхности. Это совершенно новый, элегантный способ исследования других миров.
Заключение
История этих парящих дисков — прекрасный пример того, как фундаментальная наука, терпение и технологический прорыв сливаются воедино, рождая нечто революционное. Идея, которая больше десяти лет ждала своего часа, наконец-то воплотилась в реальность благодаря нанотехнологиям.
Команда уже основала компанию Rarefied Technologies, чтобы вывести разработку на новый уровень. Их следующая цель — оснастить аппараты системами связи для передачи данных в полёте. Мы стоим на пороге исследования последней неизведанной области нашей атмосферы. И, возможно, именно эти крошечные, парящие на свете конструкции станут нашими проводниками не только в ней, но и в небесах других планет.