Учёные заставили предметы левитировать при помощи света

Исследователи из Пенсильванского университета научились левитировать полимерные диски при помощи воздействия лучей света. Статья с описанием теоретической модели и её практического подтверждения была опубликована в научном журнале Science Advances.

YAGI STUDIO/GETTY IMAGES

В одной из инженерных лабораторий Пенсильванского университета Мохсен Азади и его коллеги собрались вокруг комплекса ослепительных светодиодов, установленных под акриловой вакуумной камерой. Периодически они переводили внимательный взгляд от источников света к мониторам камер, в кадре которых расположились два полимерных «подноса». По словам Азади, он и его коллеги были практически уверены, что в этот день в лаборатории не произойдёт ничего интересного, однако они всё же хотели, чтобы крошечные диски взмыли в воздух под воздействием одного лишь света. Другими словами, главной задачей данного лабораторного эксперимента было наблюдение фотофореза, являющегося частным примером термофореза – явления, при котором движение частиц происходит вследствие нагревания светом. Данный физический феномен известен ещё с XIX века, однако прежде его применяли только для манипуляции с невидимыми аэрозольными частицами. Эксперимент Азади и его коллег впервые касался левитации осязаемых предметов, которые также могут служить для переноса грузов.

Учёные заставили предметы левитировать при помощи света
Science News, Azadi et al., 2021

В итоге эксперимент оказался успешным, и оба образца поднялись в воздух и парили исключительно за счёт воздействия лучей света. Полимерные диски размером тоньше стержня карандаша стали первой инженерной конструкцией, продемонстрировавшей стабильный фотофорезный полёт. В ходе дальнейших испытаний исследователи планируют проверить теоретическую модель, согласно которой подобные диски смогут левитировать в 80 километрах над поверхностью Земли, неся на себе груз в виде крошечных сенсоров. В частности, Азади надеется, что в будущем аппараты, летающие за счёт энергии света, помогут учёным в изучении мезосферы – особого слоя атмосферы, который простирается на высотах от 40 до 90 км.

По словам Игоря Баргатина, профессора механического инжиниринга в Пенсильванском университете, мезосферу порой в шутку называют «игноросферой». Учёные вынуждены игнорировать этот слой атмосферы из-за специфических характеристик, которые делают его труднодоступным для исследовательских аппаратов. Воздух в мезосфере слишком разрежен, чтобы удерживать самолёты и метеозонды, как это происходит в тропосфере или стратосфере, и в то же время слишком плотный для применимых в термосфере космических аппаратов (зондов, спутников и т. п.). Мезосфера полна удивительных феноменов: в ней содержатся микроскопические фрагменты миллионов метеоров, происходят странные синие и красные молнии и т. д. Кроме того, химия этого слоя атмосферы важна для отслеживания процессов в озоновом слое.

medium

Сегодня краткосрочные исследования мезосферы доступны только при помощи суборбитальных метеорологических ракет, а реализация постоянных исследовательских миссий требует разработки совершенно нового типа летательных аппаратов. Баргатин и Азади считают, что именно свет может стать ответом. В последние годы учёные всё чаще используют частицы света для различных манипуляций: приводят в движение космические аппараты при помощи «солнечного ветра», сортируют лазером клетки, молекулы и атомы.

NASA
ScienceStruck

Азади решил выйти за пределы манипуляций с микроскопическими частицами. При поддержке своей команды он разработал дизайн нового «летательного аппарата». Устройство в виде плоского диска имеет две кардинально разные поверхности. Для верхней стороны инженеры выбрали майлар – тончайшую полиэфирную плёнку толщиной около 500 нанометров – почти в 50 раз тоньше пищевой плёнки. Нижнюю сторону диска учёные покрыли «ворсистым ковром» из углеродных нанотрубок, длина которых не превышает толщины человеческого волоса. Молекулы газов всегда приобретают энергию при контакте с тёплым объектом, однако степень их ускорения зависит от типа поверхности. Гладкая майларовая плёнка лишь немного разогревает газы в атмосфере, а вот «ковёр» из углеродных трубок с высоким коэффициентом поглощения света нагревается сильнее и, соответственно, придаёт более высокую степень ускорения молекулам газа, создавая подъёмную силу.

Учёные заставили предметы левитировать при помощи света

В ходе первого лабораторного испытания в 2019 году миниатюрные ковры-самолёты из майлара и углеродных трубок поднялись в воздух на считанные миллиметры, когда учёные сымитировали в камере условия мезосферы. Во время дальнейших экспериментов исследователи добились более стабильной фотофорезной левитации дисков путём добавления дополнительных светодиодов, которые будто заключили диски в невидимую оптическую ловушку, не давая объектам исследования сбегать за пределы воздействия лучей света. Главным преимуществом такого форм-фактора летательного аппарата стал тот факт, что он не нуждается в строгом контроле температурного градиента – наличия холодной и горячей сторон. Это значит, что подобный «ковёр-самолёт» сможет левитировать вне зависимости от расположения источника света.

Учёные заставили предметы левитировать при помощи света
Границы оптической ловушки / Science News, Azadi et al., 2021

Азади провёл параллель между своей теоретической моделью и точными физическими параметрами эксперимента. Проанализировав данные, он сумел рассчитать, что для левитации за счёт солнечного света в условиях мезосферы максимальный диаметр летательного аппарата должен быть ограничен 6 сантиметрами. При этом максимальная полезная нагрузка полимерного диска составит 10 миллиграммов, чего вполне достаточно для размещения современных сенсоров с источником питания и радиосвязью. В дальнейшем исследователи планируют сделать миниатюрные полимерные летательные аппараты управляемыми.

Учёные заставили предметы левитировать при помощи света
Пористая структура «ковра» из углеродных трубок / Science News, Azadi et al., 2021

Несмотря на энтузиазм физиков и инженеров, метеорологи обеспокоены, что подобные устройства не смогут выполнять свои функции в суровых условиях мезосферы. В этом слое атмосферы средняя скорость ветра превышает отметку в 160 км/ч, в зависимости от расстояния от поверхности Земли температура воздуха варьируется от 0°C до −80 °C, а влияние солнечной радиации может оказаться слишком интенсивным для слабозащищённых коммуникационных систем. В то же время сторонние исследователи не могут не восхищаться продвинутой идеей Азади и его коллег. К примеру, Пол Ньюман (глава подразделения по изучению Земли в Центре космических полетов имени Годдарда NASA) считает, что подобные аппараты имеют неплохую перспективу в регулярных исследованиях марсианской атмосферы, некоторые свойства которой аналогичны характеристикам земной мезосферы.

Controlled levitation of nanostructured thin films for sun-powered near-space flight

Поделиться в соцсетях

Добавить комментарий