Солнечные летающие структуры открывают новые возможности для изучения мезосферы

Иллюстрация воздушного потока вокруг летающего устройства. Авторы: Бен Шафер и Джон-Хён Ким

На высоте от 50 до 100 километров над поверхностью Земли находится малоизученный слой атмосферы — мезосфера. Она слишком высока для самолётов и метеозондов, слишком низка для спутников, и её практически невозможно исследовать с помощью существующих технологий. Однако понимание этого слоя атмосферы могло бы повысить точность прогнозов погоды и климатических моделей.

Новое исследование, опубликованное в журнале Nature учёными из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук (SEAS), Чикагского университета и других институтов, предлагает новый способ изучения этой зоны: лёгкие летающие структуры, способные парить исключительно за счёт солнечного света.

«Мы изучаем странный физический механизм под названием фотофорез и его способность поднимать в воздух очень лёгкие объекты при освещении», — объяснил Бен Шафер, ведущий автор исследования.

Как работает фотофорез

Фотофорез возникает, когда молекулы газа сильнее отталкиваются от нагретой стороны объекта, чем от холодной, создавая постоянный импульс и подъёмную силу. Этот эффект возможен только в условиях крайне низкого давления, характерных для мезосферы.

Исследователи создали тонкие мембраны размером в несколько сантиметров из керамического оксида алюминия, с нижним слоем хрома для поглощения солнечного света. При освещении разница температур между верхней и нижней поверхностями генерирует фотофоретическую подъёмную силу, превышающую вес конструкции.

«Обычно этот эффект настолько слаб по сравнению с размером и весом объекта, что мы его не замечаем, — отметил Шафер. — Но наши структуры настолько лёгкие, что фотофоретическая сила превосходит их вес, и они взлетают».

Иллюстрация возможного применения устройств. Авторы: Бен Шафер и Джон-Хён Ким

Перспективы применения

Устройства могут оснащаться датчиками для сбора данных о ветре, давлении и температуре в мезосфере, что улучшит климатические модели. Также рассматривается их использование в телекоммуникациях — например, для создания плавающих антенных решёток с низкой задержкой сигнала.

Кроме того, технология может быть адаптирована для исследования атмосферы Марса, которая схожа по плотности с земной мезосферой.

Исследование легло в основу стартапа Rarefied Technologies, основанного Шафером и его коллегой Анджелой Фельдхаус в 2024 году.

Подробнее: Photophoretic flight of perforated structures in near-space conditions, Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-09281-8