Un phénomène de physique découvert il y a 150 ans permet à de minuscules objets de léviter en utilisant juste la lumière du soleil – et maintenant il pourrait permettre aux essaims de capteurs d'explorer une partie de la haute atmosphère à long terme de la Terre
Une illustration des disques en lévitation à énergie solaire
Des disques de taille de ongle qui lévitent en lumière du soleil pourraient un jour transporter des capteurs à travers certaines des portée les plus minces et les plus froides de l'atmosphère. En volant plus haut que les avions commerciaux ou les ballons météorologiques, de tels essaims pourraient révéler de nouvelles idées sur l'évolution de la météo et les modèles climatiques de la Terre.
Les dispositifs de lévitation exploitent un phénomène appelé photophorèse. Il a été découvert pour la première fois il y a plus de 150 ans lorsque le chimiste William Crookes a inventé le radiomètre, un appareil avec des aubes en noir et blanc qui tournent lorsqu'ils sont exposés au soleil. Cela se produit parce que les aubes absorbent la lumière et dégagent de la chaleur, et cette chaleur augmente l'élan des molécules de gaz autour d'eux. Parce que les côtés noirs des aubes sont plus chauds que les blancs, ils transfèrent plus d'élan vers le gaz, faisant couler l'air dans une direction avec suffisamment de force pour tourner les aubes.
«Nous avons pris cette obscure la physique et l'avons appliquée à quelque chose qui pourrait réellement avoir un impact sur beaucoup de gens – et nous aider à mieux comprendre comment des choses comme la météo et le climat évoluent avec le temps», explique Ben Schafer à l'Université Harvard.
Pour développer les disques en lévitation, Schafer et ses collègues ont créé un dispositif de 1 centimètre composé de deux feuilles d'oxyde d'aluminium pleines de trous micro-échelles. Lorsqu'elle est exposée à la lumière, la feuille inférieure – qui comprenait des couches alternées de chrome avec l'oxyde d'aluminium – chauffé plus que la feuille supérieure, comme les côtés noirs des aubes d'un radiomètre. Cela a également créé un flux d'air directionnel, mais se déplaçant vers le haut au lieu de latéralement.
Sous les LED blancs et la lumière laser – réglée sur des intensités équivalentes à environ 50% de la lumière naturelle du soleil – cette force de levage a lévité l'appareil. Il s'agit d'une amélioration par rapport aux autres dépliants à énergie solaire, qui nécessitent des intensités de lumière plusieurs fois plus lumineuses que la lumière du soleil. Mais la démonstration a également eu lieu dans des conditions de laboratoire avec la pression de l'air plusieurs milliers de fois plus faible que celle à la surface de la Terre.
Heureusement, ces conditions de basse pression de l'air sont courantes ailleurs – comme la mésosphère, une couche supérieure de l'atmosphère qui s'étend de 50 à 85 kilomètres au-dessus de la planète. Les chercheurs disent que la réutilisation de leurs disques à 3 centimètres les permettrait de transporter 10 milligrammes de charge utile à une altitude de 75 kilomètres, amenant des capteurs dans une région si difficile à étudier, il a été surnommé «l'ignorosphère». Schafer a cofondé la startup raréfiée des technologies pour commercialiser des essaims de tels dispositifs de haut vol pour la surveillance atmosphérique et les télécommunications.
Après le coucher du soleil, la modélisation informatique suggère que les disques pourraient rester dans l'air en exploitant la chaleur rayonnant de la surface de la Terre. «Si vous pouvez rester en l'air la nuit, c'est un grand changement de la simple installation ou de la chute», explique Igor Bargatin à l'Université de Pennsylvanie, dont le laboratoire fait des recherches similaires.
