Учёные впервые испытали крошечные устройства, использующие солнечный свет для полёта в условиях, близких к вакууму верхних слоёв атмосферы Земли. Эти лёгкие мембраны, работающие на основе фотофорез, могут совершить революцию в атмосферных исследованиях, позволив собирать точные данные из так называемого «игноросферы» — загадочной области между мезосферой и термосферой. Исследование, опубликованное 13 августа 2025 года в журнале Nature, открывает новые перспективы для науки и технологий.

Что такое игноросфера и почему она важна?

Игноросфера — это область атмосферы на высотах от 50 до 160 км, включающая мезосферу (50–85 км) и часть термосферы (до 160 км). Она остаётся малоизученной, так как слишком высока для самолётов и метеозондов, но слишком низка для спутников на низкой околоземной орбите. Данные из этой зоны собираются лишь эпизодически с помощью метеорологических ракет, а многие процессы в ней остаются загадкой.

Игноросфера играет ключевую роль в:

  • Космической погоде: Здесь оседает энергия от выбросов корональной массы Солнца, вызывающих геомагнитные бури, которые могут нарушать работу электросетей и выводить спутники из строя.
  • Полярных сияниях: Именно в этой зоне возникают авроры.
  • Возвращении спутников: Игноросфера — место, где спутники сгорают при входе в атмосферу, оставляя следы загрязнения.

«Точные данные о ветрах, температурах и давлении в этой зоне значительно улучшат глобальные климатические модели», — отметил ведущий автор исследования Бен Шафер из Гарвардской школы инженерных и прикладных наук (SEAS).

Как работают солнечные устройства?

Устройства представляют собой тонкие мембраны из оксида алюминия с хромовым покрытием, которые используют явление фотофорез. Этот процесс происходит, когда одна сторона мембраны нагревается солнечным светом сильнее другой, вызывая отталкивание газовых молекул и создавая подъёмную силу. Эффект проявляется только в условиях низкого давления, таких как верхние слои атмосферы.

В эксперименте, описанном в Nature, исследователи заставили мембраны диаметром 1 см левитировать в вакуумной камере при освещении светом, составляющим 55% от интенсивности солнечного. «Это важный результат, доказывающий, что технология работает в условиях верхней атмосферы», — сказал Шафер.

Для реальных миссий мембраны должны быть крупнее — около 6 см в диаметре, чтобы поднять до 10 мг полезной нагрузки, включая миниатюрные датчики и антенны. Устройства будут запускаться с высотного аэростата на высоте около 50 км, откуда они самостоятельно поднимутся до 100 км. Днём они удерживаются на высоте за счёт солнечного света, а ночью опускаются, но при достаточной лёгкости могут снова подниматься с восходом солнца.

Технология и перспективы

Фотофорез был открыт в XIX веке, но его практическое применение стало возможным только благодаря прогрессу в нанотехнологиях и материаловедении. Идея использования фотофорез для атмосферных исследований была вдохновлена теоретической работой Дэвида Кейта, бывшего профессора SEAS, ныне работающего в Чикагском университете. Кейт также предлагал использовать такие мембраны для геоинженерии, чтобы снизить температуру Земли, отражая солнечный свет.

«Это первый случай, когда удалось создать крупные фотофорез-структуры и заставить их летать в атмосфере», — отметил Кейт. «Это открывает новый класс устройств: пассивных, работающих на солнечном свете и идеально подходящих для исследования верхней атмосферы».

Бен Шафер и его коллега Анджела Фельдхаус основали стартап Rarefied Technologies для дальнейших экспериментов и коммерциализации технологии. Среди потенциальных применений:

  • Изучение Марса: Тонкая атмосфера Марса схожа с земной мезосферой, что делает устройства идеальными для исследования Красной планеты.
  • Конкуренция со спутниками: Установка коммуникационных модулей на такие устройства может создать альтернативу спутниковым сетям, таким как Starlink, с сопоставимыми скоростями передачи данных.
  • Климатические исследования: Устройства позволят собирать данные о ветрах, температуре и давлении, улучшая климатические модели.

Вызовы и дальнейшая работа

Для реализации потенциала технологии учёным предстоит:

  • Уменьшить вес мембран, чтобы увеличить их размер и грузоподъёмность.
  • Разработать системы навигации для удержания устройств над фиксированными точками на Земле.
  • Провести испытания в реальных атмосферных условиях.

Шафер признаёт, что для коммуникационных задач устройства должны стать значительно легче и крупнее, чтобы нести антенны и навигационные модули. Однако успешные лабораторные тесты — важный шаг к этим целям.

Вкратце…

Учёные из Гарварда впервые испытали устройства, использующие фотофорез для полёта в верхних слоях атмосферы, открыв путь к исследованию игноросферы — загадочной зоны на высотах 50–160 км. Мембраны, работающие на солнечном свете, могут нести датчики для сбора данных о климате, космической погоде и даже изучения Марса. Исследование, опубликованное 13 августа 2025 года в Nature, демонстрирует потенциал технологии, которая может конкурировать со спутниками и улучшить наши знания об атмосфере. Стартап Rarefied Technologies уже работает над её коммерциализацией, обещая новые горизонты для науки и технологий.