Entre 50 et 100 kilomètres (30 à 60 miles) au-dessus de la surface de la Terre se trouve un étirement largement non étudié de l'atmosphère, appelée mésosphère. Il est trop élevé pour les avions et les ballons météorologiques, trop bas pour les satellites, et presque impossible à surveiller avec la technologie existante. Mais comprendre cette couche de l'atmosphère pourrait améliorer la précision des prévisions météorologiques et des modèles climatiques.
Une nouvelle étude publiée dans Nature Par des chercheurs de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (Seas), de l'Université de Chicago, et d'autres introduisent une nouvelle façon d'atteindre cette zone d'espace peu spatiale inexplorée: des structures volantes légères qui peuvent flotter en utilisant rien d'autre que la lumière du soleil.
« Nous étudions cet étrange mécanisme de physique appelé photophorèse et sa capacité à léviter des objets très légers lorsque vous leur éclairez », a déclaré Ben Schafer, auteur principal du journal et ancien étudiant diplômé de Harvard dans les groupes de recherche de Joost Vlassak, du professeur d'Abbott et de James Lawrence en génie des matériaux chez Seas, et David Keith, maintenant un professeur à l'Université de Chicago.
Comment fonctionne la photophorèse
La photophorèse se produit lorsque les molécules de gaz rebondissent plus avec force sur le côté chaud d'un objet que le côté frais, créant une dynamique et un soulèvement continu. Cet effet ne se produit que dans des environnements à basse pression extrême, qui sont exactement les conditions trouvées dans la mésosphère.
Les chercheurs ont construit des membranes minces à l'échelle des centimètres d'alumine en céramique, avec une couche de chrome en bas pour absorber la lumière du soleil. Lorsque la lumière frappe cette structure, la différence de chaleur entre les surfaces supérieure et inférieure initie une force de levage photophorétique, qui dépasse le poids de la structure.
« Ce phénomène est généralement si faible par rapport à la taille et au poids de l'objet sur lesquels il agit que nous ne le remarquons généralement pas », a déclaré Schafer. «Cependant, nous sommes en mesure de rendre nos structures si légères que la force photophorétique est plus grande que leur poids, donc ils volent.
Le concept a créé il y a plus de dix ans lorsque Keith a émis l'hypothèse différentes utilisations des particules de photophorèse, y compris leur potentiel pour réduire le réchauffement climatique. Une collaboration a commencé avec les étudiants de diplômés de l'époque Schafer, et Vlassak, un expert en nanofabrication et en mécanique expérimentale, afin d'aider à déplacer les concepts de la théorie à la réalité.
La collaboration est devenue réalisable par le biais de récentes avancées dans la technologie de nanofabrication, qui permettent aux chercheurs de construire des dispositifs à l'échelle nanométrique à faible masse avec une plus grande précision.
« Nous avons développé un processus de nanofabrication qui peut être mis à l'échelle à des dizaines de centimètres », a déclaré Vlassak. « Ces appareils sont assez résistants et ont un comportement mécanique inhabituel pour les structures sandwichs. Nous travaillons actuellement sur des méthodes pour incorporer des charges utiles fonctionnelles dans les appareils. »
Test des appareils dans le laboratoire
En utilisant ces méthodes de fabrication, l'équipe de recherche a créé des structures à l'échelle des centimètres et a directement mesuré les forces de photophorèse agissant sur eux à l'intérieur d'une chambre à basse pression Schafer et de l'ancien camarade postdoctoral de Harvard Jong-hyoung Kim construit dans le laboratoire de Vlassak.
Ils ont comparé ces résultats aux prédictions de la façon dont ces structures se comporteraient dans la haute atmosphère. La conception et la fabrication des appareils ont été dirigées par Kim, qui est maintenant professeur à l'Université nationale de Pukyong en Corée du Sud.
« Cet article est à la fois théorique et expérimental dans le sens où nous avons repensé comment cette force est calculée sur des dispositifs réels, puis validé ces forces en appliquant des mesures à des conditions réelles », a déclaré Schafer.
Une expérience clé détaillée dans le document montre une structure à 1 centimètre Lévitation à une pression d'air de 26,7 pascales lorsqu'elle est exposée à la lumière à seulement 55% de l'intensité de la lumière du soleil. Cette condition de pression modélise ce qui se trouve à 60 kilomètres au-dessus de la surface de la Terre.
« C'est la première fois que n'importe qui montre que vous pouvez construire des structures de photophorèse plus importantes et les faire voler dans l'atmosphère », a déclaré Keith. « Il ouvre une toute nouvelle classe d'appareil: une qui est passive, alimentée par la lumière du soleil et de manière unique pour explorer notre haute atmosphère. Plus tard, ils pourraient voler sur Mars ou d'autres planètes. »
Applications possibles: détection, communication, exploration martienne
L'équipe envisage une gamme d'applications possibles pour son nouvel appareil, en particulier en science du climat. S'il est équipé de capteurs légers, cet appareil pourrait collecter des données clés comme la vitesse du vent, la pression et la température d'une région de l'atmosphère qui est restée longtemps un angle mort. Ces données sont essentielles pour calibrer les modèles climatiques qui renforcent les fondements des prévisions météorologiques et des projections du changement climatique.
Les autres applications potentielles incluent les télécommunications pour les scénarios de défense et d'intervention d'urgence. L'utilisation d'une flotte de ces dispositifs pourrait permettre une gamme flottante d'antennes avec des capacités de transmission de données comparables à de faibles satellites en orbite comme StarLink, mais avec une latence plus faible en raison de leur proximité plus étroite avec le sol.
Étant donné que la haute atmosphère de la Terre partage les caractéristiques clés avec l'atmosphère mince de Mars, l'appareil pourrait également faciliter les nouveaux modes d'exploration planétaire et de communication dans cet environnement.
La prochaine étape de l'équipe consiste à intégrer les charges utiles des communications embarquées qui permettraient à l'appareil de transmettre des données en temps réel pendant le vol.
« Je pense que ce qui rend cette recherche amusante, c'est que la technologie pourrait être utilisée pour explorer une région entièrement inexplorée de l'atmosphère. Auparavant, rien ne pouvait de manière durable de voler là-haut », a déclaré Schafer. « C'est un peu comme le Far West en termes de physique appliquée. »
Des recherches décrites dans le document ont formé les éléments constitutifs d'une société de dérivation de Harvard, Rarefied Technologies, que Schafer et la cofondatrice Angela Feldhaus ont lancé en 2024.
