دیسکهای پرندهای که با نور خورشید در «منطقه ناشناخته» زمین شناور میشوند
خلاصه داستان
گروهی از دانشمندان سازههایی کوچک و دیسکمانند طراحی کردهاند که بدون سوخت یا موتور و تنها با کمک نور خورشید میتوانند در لایه میانی جو زمین، یعنی مزوسفر، شناور شوند. این دیسکهای سبک که از جنس سرامیک ساخته شدهاند، در شرایط آزمایشگاهی توانستهاند نیروی لازم برای ماندن در هوا را از پدیدهای به نام «فوتوفورز» بهدست آورند. پژوهش جدید، که در سیزدهم اوت در نشریه نیچر منتشر شد، افق تازهای برای مطالعه ناحیهای از جو زمین گشوده که به دلیل دشواری دسترسی، گاه «ایگنوروسفر» یا «منطقه نادانسته» نامیده میشود.
ایگنوروسفر کجاست؟
مزوسفر، لایهای میان پنجاه تا هشتاد و پنج کیلومتری بالای سطح زمین است، منطقهای که فراتر از منطقه رایج قابل دسترسی هواپیماها و بالنهای هواشناسی قرار دارد اما کم ارتفاعتر از آن است که قلمرو ماهوارههای علمی باشد. این محدوده ناشناختهترین بخش جو زمین به شمار میرود و درک بهتر آن برای شناخت فرایندهای جوی، از شهابسوختنها گرفته تا چرخههای اقلیمی، اهمیت زیادی دارد.
راز شناوری دیسکها
اصل کار بر پایه «فوتوفورز» است؛ پدیدهای که نخستین بار در قرن نوزدهم توسط ویلیام کروکس مشاهده شد. در این اثر، مولکولهای گاز هنگام برخورد با سطح گرمتر جسم، انرژی بیشتری میگیرند و نسبت به سطح سردتر، نیروی بیشتری ایجاد میکنند. در دیسکهای جدید، بخش زیرین با لایهای از کروم پوشانده شده تا نور را بیشتر جذب کند و داغتر شود. بدین ترتیب، مولکولهای گاز که به زیر دیسک برخورد میکنند با انرژی بیشتری بازمیگردند و نیروی بالابر ایجاد میکنند.
نوآوری اصلی تیم پژوهشی در سوراخدار کردن دیسکهاست. این حفرهها مسیرهای تازهای برای جریان هوا ایجاد میکنند و پدیدهای به نام «انتقال گرمایی ترمال ترنسپیریشن» را فعال میسازند؛ یعنی حرکت مولکولها از نواحی سردتر به گرمتر. نتیجه این طراحی، ایجاد جتهای ریز هوایی درون سازه و افزایش قابلتوجه نیروی شناوری است.
از اسباببازی تا فناوری فضایی
کروکس در دهه هفتاد قرن نوزدهم وسیلهای به نام «رادیومتر» ساخت؛ توپی شیشهای با پرههای فلزی که زیر نور خورشید میچرخید. سالها فوتوفورز تنها یک پدیده سرگرمکننده تلقی میشد، زیرا در فشارهای بالاتر جو و در مقیاسهای بزرگ، کارایی چندانی نداشت. اما با پیشرفت فناوری نانوساخت، امکان تولید سازههای سبک و ظریف فراهم شد و پژوهشگران دریافتند که میتوان از همان نیروی ضعیف برای پرواز در لایههای کمچگال جو بهره برد.
آزمایشها و نتایج
در آزمایشهای اخیر، دیسکهای یک سانتیمتری در محفظهای با فشار کم و نور لیزر شبیهسازیشده به پرواز درآمدند. نسخهای بزرگتر با قطر شش سانتیمتر هم طراحی شد که توانست بار ده میلیگرمی را حمل کند؛ باری که از نظر نظری میتواند شامل یک مدار کوچک، سلول خورشیدی و آنتن رادیویی باشد. محاسبات نشان میدهد این دیسک میتواند در ارتفاع هفتاد و پنج کیلومتری و در طول روز شناور بماند و در مناطق قطبی حتی در شب نیز با کمک تابش فروسرخ سطح زمین پرواز پیوسته داشته باشد.
چرا این مهم است؟
به گفته روث لیبرمن، فیزیکدان خورشیدی که در این پروژه نقشی نداشت، طراحی جدید «درخشان» است: «تا زمانی که خورشید میتابد، این سازهها کار میکنند. مواد اولیه آنها هم بسیار ارزان است و اگر به تولید انبوه برسند، راهحلی ارزان و کارآمد برای مشاهده جو فراهم میکنند»
این دیسکها میتوانند به صورت خوشهای برای سنجش جو، جمعآوری دادههای اقلیمی و حتی مخابرات ارزانقیمت بهکار روند.
چشمانداز آینده
بن شفر، نویسنده اصلی مقاله و پژوهشگر دانشگاه هاروارد، میگوید ساخت دیسکهایی که توان حمل تجهیزات کامل را داشته باشند پروژهای پنج تا ده ساله است. چالش اصلی، تولید صنعتی این ساختارهای ظریف سرامیکی و بهینهسازی آنها برای تحمل بار است. او شرکتی تأسیس کرده که هدفش توسعه نسلهای بعدی این دیسکها و آغاز پروازهای آزمایشی بدون بار تا سال دوهزار و بیست و شش است.
شناوری دیسکهای سرامیکی بر فراز مزوسفر، پلی میان زمین و فضا میسازد. این فناوری میتواند دانستههای ما را درباره «ایگنوروسفر» گسترش دهد و همزمان راهی کمهزینه برای مطالعه جو مریخ باز کند. پیشرفتی که روزگاری صرفاً یک بازی علمی به نظر میرسید، امروز به ابزاری بالقوه برای کاوش یکی از ناشناختهترین مرزهای علمی بدل شده است.
