Ерата на ракетите наближава своя край? Учените откриха начин да достигнат до космоса без нито една капка гориво

Представете си огромно, почти невидимо „море“ точно над главите ни. То започва там, където самолетите вече не могат да летят, а сателитите все още не се движат в орбита. Този слой, известен като мезосфера, се простира на височина между 50 и 100 км и остава едно от най-големите „бели петна“ в нашето разбиране за планетата. Изпращаме роувъри до Марс и телескопи до границите на Вселената, но тази неуловима област от собствената ни атмосфера досега беше до голяма степен недостъпна за нас. Защо? Защото просто няма начин да стигнем дотам.

До неотдавна. Екип от учени от Харвардския и Чикагския университет предложи решение, което е толкова елегантно, че изглежда като извадено от научната фантастика: малки, свръхлеки превозни средства, които се носят в атмосферата без двигатели, без гориво и без нито една движеща се част. Единствената им движеща сила е слънчевата светлина.

Отговор от миналото: магията на фотофорезата

Как да накарате нещо да лети без двигател? Отговорът лежи на прашните рафтове на науката вече почти век и половина. Феноменът се нарича фотофореза – ефект, открит още през XIX в., но дълго време смятан само за лабораторен куриоз.

Нека се спрем малко по-подробно. В силно разредения въздух, какъвто е мезосферата, газовите молекули се държат по различен начин. Когато светлинен лъч нагрява едната страна на малък обект, молекулите, които се сблъскват с тази топла повърхност, отскачат от нея с повече енергия, отколкото тези от студената страна. Представете си милиони микроскопични ръце, които постоянно и със сила натискат един обект от едната му страна. Ако обектът е достатъчно лек, общият импулс от тези сблъсъци създава подемна сила, която може да победи гравитацията.

Именно този на пръв поглед незначителен ефект изследователите решават да използват по подходящ начин.

„Ние изучаваме тази странна физика – казва водещият автор Бен Шафър, – нейната способност да кара много леките обекти да левитират. Ключовата дума тук е „много леки“. В края на краищата на Земята, при нормално налягане, силата на фотофорезата е толкова слаба, че ние просто не я забелязваме“.

От една идея до летящото вълшебно килимче

Но как да превърнем тази идея в реално устройство? Тук влизат в действие чудесата на съвременните технологии. Учените са създали най-тънките дискове с дебелина сантиметри, истински летящи „килимчета“. Те са направени на базата на лека керамика от алуминиев оксид. Долната им страна е покрита с тънък слой хром, който ефективно поглъща слънчевата светлина и се нагрява.

Когато слънцето освети такъв диск в разредената атмосфера, долната страна става по-топла от горната. Тази температурна разлика е достатъчна, за да предизвика фотофореза и да създаде подемна сила. И ето кое е най-удивителното: благодарение на постиженията в областта на нанопроизводството тези структури са толкова леки, че силата на фотофорезата надвишава собственото им тегло.

В лабораторията екипът пресъздава условията, които преобладават на височина 60 км. Във вакуумна камера при налягане от едва 26,7 паскала (нищожна стойност в сравнение с това, с което сме свикнали) и със светлина, която е само 55% от силата на пряката слънчева светлина, едносантиметров диск уверено се издига нагоре. Това е триумф: за пръв път е доказано, че е възможно да се създадат обекти, които са достатъчно големи и могат да летят само благодарение на светлината.

„Това открива цял нов клас устройства – отбелязва професор Дейвид Кийт, – пасивни, захранвани от слънчевата енергия и уникално подходящи за изследване на горните слоеве на нашата атмосфера“.

Дивият запад на приложната физика: какво следва?

Успешният експеримент е не само научно постижение, но и ключ към заключена досега врата. Зад нея се крие цял свят от възможности, който самите изследователи шеговито наричат „Дивият запад на приложната физика“.

• Времето и климатът: попълване на пропуските. Основната цел е най-накрая да се изучи мезосферата. С пускането на флотилия от подобни апарати с миниатюрни сензори учените ще могат да събират в реално време данни за вятъра, налягането и температурата. Тази информация е безценна. Съвременните климатични модели и прогнози за времето се основават на огромни количества данни, а мезосферата досега беше огромна „дупка“ в тях, която внасяше неточности и грешки. Като запълним тази празнина, можем да направим прогнозите си много по-точни.
• Комуникации от следващо поколение. Представете си рояк от такива висящи платформи, които работят като единна антенна решетка. Това би могло да бъде алтернатива на сателитните системи като Starlink, но с едно важно предимство: намирайки се много по-близо до Земята, тези „атмосферни сателити“ биха осигурили пренос на данните с минимално закъснение. Това е от решаващо значение за военните, спасителните операции и други области, в които всяка милисекунда е от значение.
• Здравей, Марс! Атмосферата на Марс е много разредена и има сходни характеристики с мезосферата на Земята. Това означава, че технологията, създадена за изследване на нашето „близко пространство“, е идеална за Червената планета. Безшумните, вечни (докато грее слънцето) летателни апарати могат да висят над марсианските каньони в продължение на часове, да извършват разузнаване и да служат като ретранслатори за марсоходите на повърхността. Това е съвсем нов, елегантен начин за изследване на други светове.

Заключение

Историята на тези витаещи дискове е отличен пример за това как фундаменталната наука, търпението и технологичните пробиви се обединяват, за да доведат до нещо революционно. Една идея, която е чакана повече от десетилетие, най-накрая става реалност благодарение на нанотехнологиите.

Екипът вече е основал компанията Rarefied Technologies, за да премине към следващото ниво на развитие. Следващата им цел е да оборудват превозните средства с комуникационни системи за пренос на данни по време на полет. На прага сме на изследването на последната неизследвана област от нашата атмосфера. И може би именно тези малки, носещи се структури ще бъдат нашите водачи не само в нея, но и в небето на другите планети.