Свет заставил полимерные диски левитировать в условиях мезосферы

Ученые изготовили сантиметровые полимерные диски, противоположные поверхности которых по-разному взаимодействуют с налетающими молекулами газа при нагреве со стороны излучения, и пронаблюдали их левитацию в вакуумной камере при давлении порядка 10 паскалей и интенсивности облучения около 0,5 ватт на квадратный сантиметр (того же порядка, что у солнечного света). Результаты опыта и предсказания теоретической модели помогут в создании компактных аппаратов для полетов в мезосфере — например, предназначенных для изучения погодных и климатических явлений. Статья опубликована в журнале Science Advances.

На сегодняшний день мезосфера (слой атмосферы на высоте 50–80 километров) — проблемная зона для летательных аппаратов. Воздух на такой высоте уже недостаточно плотный, чтобы надежно удерживать воздушные шары и самолеты, но в то же время слишком плотный, чтобы мешать орбитальному движению космических аппаратов, нагревая и затормаживая последние. В недавних исследованиях ученые неоднократно обращались к вопросу о полетах в этом пространстве — в частности, обсуждали возможность длительного удержания в ней микрочастиц для геоинженерных проектов (подробнее о них можно узнать в материале «Я тучи разведу руками»).

Тем не менее этого недостаточно для проведения измерений — изучают мезосферу обычно с помощью метеорологических ракет, которые летят по баллистической траектории — то есть как очень высоко подброшенное тело, падающее после набора высоты. Устойчивый же полет макроскопических аппаратов в мезосфере сегодня по-прежнему остается неразрешенной задачей.

Ученые под руководством Мохсена Азади (Mohsen Azadi) из Пенсильванского университета теоретически оценили возможность левитации небольших (размером около сантиметра) макроскопических тел в условиях мезосферы и экспериментально проверили ее в вакуумной камере. Исследователи воспользовались явлением фотофореза — возникновением движущей силы за счет взаимодействия облучаемого светом тела с окружающим его газом. Эффект состоит в том, что если сталкивающиеся с телом молекулы газа отскакивают от поверхности одной из его сторон в среднем с большей скоростью (по сравнению с молекулами, отскакивающими с других поверхностей того же тела), то на эту сторону оказывается избыточное давление со стороны внешней среды, то есть окружающий газ передает телу ненулевой средний импульс, подталкивая его в одну сторону. Если расположить тело так, чтобы молекулы отскакивали быстрее от нижней стороны и медленнее от верхней, то эта сила будет противодействовать земному тяготению и, при условии, что она достаточно велика, может удерживать тело в воздухе.

В качестве образцов для эксперимента авторы использовали диски диаметром в 6 миллиметров и толщиной порядка 0,8 микрометра. Чтобы создать разницу в средних скоростях молекул, отражаемых от верхней и нижней стороны, и при этом сохранить образец достаточно легким (итоговая поверхностная плотность составила порядка 0,1 миллиграмма на квадратный сантиметр), ученые составляли диски из двух слоев: верхнего, из гладкой майларовой пленки толщиной около 500 нанометров, и нижнего, толщиной в 300 нанометров, из наноструктурных углеродных трубок. Нижний слой, кроме того, обладал высоким коэффициентом поглощения в видимом диапазоне (порядка 90 процентов), улучшая способность диска нагреваться на свету.

В ходе опыта исследователи помещали образцы в вакуумную камеру и облучали светодиодами с интенсивностью в 0,5 ватт на квадратный сантиметр — это примерно в четыре раза больше, чем интенсивность солнечного света в верхних слоях атмосферы. Под действием излучения диски нагревались — это помогало ускорять отскакивающие молекулы за счет обмена энергией при столкновении с быстро колеблющимися частицами образца. Кроме того, в соответствии с теоретическими представлениями, давление поддерживалось на уровне 10–30 паскалей (то есть в 3–10 тысяч раз меньше типичного атмосферного давления) — при таком условии характерные размеры тела были сопоставимы с длиной свободного пробега молекул (то есть характерным расстоянием, которое частица преодолевает между двумя соударениями), благодаря чему фотофоретическая сила достигает максимальных доступных значений.

В результате ученые успешно продемонстрировали фотофоретическую левитацию макроскопических тел в эксперименте и подтвердили теоретические прогнозы своей модели, описывающей этот эффект. Авторы подчеркивают, что левитация вызвана именно разницей в свойствах верхней и нижней поверхности, а не разностью температур между ними или давлением света (за счет которых в определенных условиях также возможна левитация) — оба эффекта в ходе опыта не смогли бы обеспечить силу, по порядку сравнимую с силой тяжести, которую испытывал диск (примерно 3×10^–7 ньютона).

Кроме того, по словам ученых, при лучшем подборе материалов — с большей разницей во взаимодействии с внешней средой и меньшей инфракрасной светимостью — принципиально возможно не только осуществить левитацию небольших объектов в мезосфере за счет естественного солнечного света, но и снабдить такие летательные аппараты полезной нагрузкой с массой до десяти миллиграмм — например, компактные датчики. При этом благодаря низким температурам окружающего воздуха удастся достичь левитации, избегая нагрева образца выше типичных температур, вызывающих серьезные деформации, которые препятствуют стабильности полета (около 400 кельвинов для полимерных материалов). Таким образом, авторы ожидают, что дальнейшие тщательные исследования сделают фотофоретическую левитацию в мезосфере не только возможной, но и полезной для практических задач, таких как отслеживание потоков воздуха, а также измерения температуры, давления и концентрации углекислого газа в этом слое атмосферы.

Ранее мы рассказывали о том, как акустический левитатор научили огибать препятствия, а также о том, как перевернутые кораблики отправили в плавание по левитирующему слою жидкости.

Николай Мартыненко