Ερευνητές της σχολής μηχανικών του Χάρβαρντ, δημιούργησαν μια νανοκατασκευή, μια ελαφριά συσκευή σχεδιασμένη να πραγματοποιεί πτήσεις 72.42 χιλιόμετρα πάνω από την επιφάνεια της Γης, ικανή για πρόωση μέσω του φωτός, αξιοποιώντας τη φυσική διαδικασία της φωτοφόρησης.
Αυτή η καινοτόμος τεχνολογία είναι ικανή να παρακολουθεί έναν από τους πιο δύσκολους για πλοήγηση χώρους στη Γη.
Με έκταση που φτάνει τα 48.28 και 96.56 χιλιόμετρα πάνω από την επιφάνεια της Γης, η μεσόσφαιρα έχει αποδειχθεί ένα εξαιρετικά δύσκολο πεδίο μελέτης, καθώς το υψόμετρό της είναι πολύ ψηλό για να φτάσουν αεροπλάνα και αερόστατα, αλλά πολύ χαμηλό για τους δορυφόρους.
Η επίτευξη τακτικής άμεσης πρόσβασης σε αυτό το τμήμα της ατμόσφαιρας, που ήταν επί πολύ καιρό εκτός εμβέλειας, θα μπορούσε να αποτελέσει σημαντικό πλεονέκτημα για τη βελτίωση των προγνώσεων και της ακρίβειας των κλιματικών μοντέλων.
Πλέον, αυτό μπορεί να γίνει δυνατό μέσω μιας πρωτοποριακής τεχνολογίας, η οποία θα επιτρέπει σε ελαφριές κατασκευές, τροφοδοτούμενες αποκλειστικά από το φως του ήλιου, να φτάνουν σε περιοχές κυρίως ανεξερεύνητες.
Φωτοφόρηση
Ερευνητές στη σχολή μηχανικών και εφαρμοσμένων επιστημών, John A. Paulson του Χάρβαρντ (SEAS) , στο πανεπιστήμιο του Σικάγο και άλλα ερευνητικά κέντρα, έχουν μελετήσει το έργο, το οποίο παρουσιάστηκε σε νέο άρθρο, το οποίο δημοσιεύτηκε στο Nature.
“Μελετούμε αυτόν τον παράξενο μηχανισμό της φυσικής, ο οποίος ονομάζεται φωτοφόρηση, καθώς και την ικανότητα που έχει να αιωρεί πολύ ελαφριά αντικείμενα όταν πέφτει φως πάνω τους,” είπε ο κύριος συγγραφέας, Ben Schafer, πρώην μεταπτυχιακός φοιτητής του Χάρβαρντ στο SEAS, και σήμερα, καθηγητής στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο.
Η φωτοφόρηση, είναι μια φυσική διαδικασία κατά την οποία τα μόρια του αερίου αναπηδούν από την πιο ζεστή πλευρά ενός αντικειμένου με μεγαλύτερη δύναμη απ’ ό,τι από την πιο ψυχρή του πλευρά, σε περιβάλλοντα με εξαιρετικά χαμηλή πίεση.
Ένα τέτοιο περιβάλλον είναι η δύσκολα προσβάσιμη μεσόσφαιρα.
Σχεδιάζοντας τον εξερευνητή της μεσόσφαιρας
Ένας από τους συγγραφείς της μελέτης, ο David Keith, ήταν ο πρώτος που συνέλαβε, πριν από μια δεκαετία, την ιδέα μιας συσκευής φωτοφόρησης, ως εργαλείο για την καταπολέμηση της παγκόσμιας αύξησης της θερμοκρασίας.
Για να υλοποιήσει την ιδέα του, ο Keith, κάλεσε τον Schafer, τότε έναν από τους φοιτητές του, και τον Joost Vlassak, πρόεδρο και καθηγητή μηχανικής των υλικών στο πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ.
Οι πρόσφατες πρόοδοι στη νανολιθογραφία παρείχαν τελικά στην ομάδα την απαραίτητη ακρίβεια που απαιτείται για να δημιουργηθεί μια πρακτική συσκευή φωτοφορητικής πτήσης.
“Δημιουργήσαμε μια διαδικασία νανολιθογραφίας που μπορεί να προσαρμοστεί σε κλίμακα δεκάδων εκατοστών”, εξήγησε ο Vlassak. “Οι συσκευές αυτές, είναι πολύ ανθεκτικές και έχουν ασυνήθιστη μηχανική συμπεριφορά για ενδιάμεσες κατασκευές . Τώρα μελετούμε μεθόδους για να ενσωματώσουμε λειτουργικά ωφέλιμα φορτία στις συσκευές”.
Ο πρώην μεταδιδακτορικός συνεργάτης του Χάρβαρντ, Jong-hyoung Kim, ήταν ο επικεφαλής του σχεδιασμού και της κατασκευής της συσκευής.
Η ομάδα κατασκεύασε λεπτές μεμβράνες από οξείδιο του αργιλίου (Al₂O₃) (κεραμική αλουμίνα), καλυμμένες με ένα κατώτερο στρώμα χρωμίου.
Το χρώμιο στο κάτω μέρος απορροφά το φως του ήλιου, θερμαίνεται και, επειδή η θερμοκρασία του ξεπερνά εκείνη του επάνω στρώματος, παράγει φωτοφορητική δύναμη ανύψωσης τόσο ισχυρή που μπορεί να ξεπερνά το βάρος του αντικειμένου.
“Το φαινόμενο αυτό, συνήθως είναι τόσο ασθενές σε σχέση με το μέγεθος και το βάρος του αντικειμένου στο οποίο δρα που δεν το παρατηρούμε”, είπε ο Schafer. “Μπορούμε ωστόσο, να δημιουργήσουμε τόσο ελαφριές κατασκευές ώστε η φωτοφορητική δύναμη να ξεπερνά το βάρος τους, ώστε να πετούν”.
Έλεγχος πτήσης
“Το άρθρο αυτό, είναι τόσο θεωρητικό, όσο και πειραματικό, με την έννοια ότι ανασχεδιάσαμε τον τρόπο υπολογισμού αυτής της δύναμης σε πραγματικές συσκευές και στη συνέχεια, επιβεβαιώσαμε αυτές τις δυνάμεις εφαρμόζοντας μετρήσεις σε συνθήκες του πραγματικού κόσμου”, δήλωσε ο Schafer.
Για να δοκιμάσουν τη συσκευή τους σε κλίμακα εκατοστού, η ομάδα χρησιμοποίησε έναν θάλαμο χαμηλής πίεσης που είχε κατασκευαστεί στο εργαστήριο του Vlassak, από τους Schafer και Kim.
Η ατμοσφαιρική πίεση στον θάλαμο ρυθμίστηκε σε 26.7 Pascals, όση είναι και η πίεση σε ύψος 96. 5 χιλιομέτρων πάνω από την επιφάνεια της Γης, και η συσκευή εκτέθηκε σε φως με ένταση 55% αυτής του ηλιακού φωτός.
“Αυτή είναι η πρώτη φορά που αποδεικνύεται ότι μπορούμε να κατασκευάσουμε μεγαλύτερες φωτοφορητικές συσκευές και πραγματικά να τις κάνουμε να πετούν στην ατμόσφαιρα”, δήλωσε ο Keith. “Δημιουργήσαμε μια εντελώς νέα κατηγορία συσκευής: Παθητική, η οποία παίρνει ενέργεια από το φως του ήλιου και με την μοναδική ικανότητα να εξερευνήσει την ανώτερη ατμόσφαιρα.
Μπορεί αργότερα να χρησιμοποιηθεί για να πετάξει στον Άρη ή σε άλλους πλανήτες”.
Σύμφωνα με την ομάδα, οι εφαρμογές της καινοτομίας τους, είναι πολλές.
Η προθήκη ελαφρών αισθητήρων, θα επιτρέψει την εξερεύνηση της ταχύτητας του ανέμου, της πίεσης και της θερμοκρασίας της μεσόσφαιρας.
Περισσότερα δεδομένα από την περιοχή, θα μπορούσαν ν’ αποδειχθούν αναγκαία για τον συντονισμό των κλιματικών μοντέλων για τη βελτιστοποίηση της πρόγνωσης του καιρού και πιο μακροπρόθεσμες προβλέψεις της κλιματικής αλλαγής.
Ακόμη, οι συσκευές θα μπορούσαν να γίνουν ένας ανταγωνιστής χαμηλής καθυστέρησης του Starlink, με την πολύ πιο κοντινή τους απόσταση από την επιφάνεια, να βελτιώνει τις ταχύτητες του δικτύου.
Οι χρήσεις δεν περιορίζονται στη Γη, καθώς οι συσκευές μπορεί να είναι τέλειες για την εξερεύνηση περιβαλλόντων χαμηλής πίεσης, όπως είναι ο Άρης.
Ωστόσο, η ανάπτυξη αυτών των εν δυνάμει χρήσεων, είναι το επόμενο βήμα, καθώς τώρα η ομάδα μελετά την προσθήκη συστημάτων επικοινωνίας εν πτήσει στα μικροσκοπικά αερόπλοιά τους.
“Θεωρώ πως, αυτό που κάνει ενδιαφέρουσα την μελέτη είναι πως, η τεχνολογία αυτή θα μπορούσε να αξιοποιηθεί για την εξερεύνηση μιας εντελώς ανεξερεύνητης περιοχής της ατμόσφαιρας. Προηγουμένως, τίποτε δεν θα μπορούσε να πετάξει με τρόπο βιώσιμο εκεί”, εξηγεί ο Schafer.
“Σαν να λέμε, είναι η Άγρια Δύση με όρους εφαρμοσμένης φυσικής”.
