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【导语】地球中间层因位置特殊，成为大气“空白地带”。今年8月《自然》杂志研究带来探索新装置——一种仅靠阳光就能悬浮的轻质飞行结构。其原理源于光泳，研究团队通过纳米级技术实现厘米级装置在自然光下悬浮，未来在气候科学、通信甚至火星探测等领域潜力巨大。

我们都知道，地球的大气层被分为多个层次，比如常听到的对流层和平流层。而在离地面50到100公里之间，还有一层中间层。它对飞机和气象气球来说太高，对卫星来说又太低。于是，这片区域成为了大气中最神秘的“空白地带”。


中间层，也常被称为“无知层”。探空火箭可以短暂进去中间层，并携带仪器进行原位测量，但这种观测通常只能持续几分钟。（图：Ben Schafer & Jong-hyoung Kim）

今年8月，《自然》杂志刊登的一项研究带来了探索中间层的全新飞行装置：研究人员制造出了一种无需燃烧、没有旋翼、也不依赖推进系统的轻质飞行结构——它只需要阳光就能悬浮起来。

要理解这项技术的奇妙原理，我们得把时间倒回150多年前。

1873年，英国化学家威廉·克鲁克斯（William Crookes）发明了一种精巧的小装置——光能辐射计（也成为克鲁克斯辐射计）。它由一个密封的玻璃灯泡和一组安装在灯泡内部转轴上的叶片组成。叶片的一面是黑色，另一面则是白色。黑面会吸收大部分照射在它上面的可见光，而白面则将光向各个方向反射。当辐射计受到强光照射时，叶片便会旋转，看起来就像是光在推着黑面转动一样。

起初，克鲁克斯认为这种旋转是由辐射压（光子撞击叶(yè)片(piàn)时(shí)传(chuán)递(dì)的(de)动(dòng)量(liàng)）造(zào)成(chéng)的(de)。但(dàn)如(rú)果(guǒ)真(zhēn)是(shì)如(rú)此(cǐ)，叶(yè)片(piàn)本(běn)应(yīng)向(xiàng)相(xiāng)反(fǎn)方(fāng)向(xiàng)转(zhuǎn)动(dòng)，因(yīn)为(wèi)反(fǎn)射(shè)光(guāng)的(de)白(bái)面(miàn)获(huò)得(de)的(de)动量更大。

但事实上，这种旋转源于装置与周围气体之间的热传递。在辐射计内，气体分子在不断撞击叶片。由于黑面吸收更多光，温度更高，所以撞到它的气体分子反弹得更快、获得更多动量。于是，这个动量差会(huì)让(ràng)气(qì)体(tǐ)在(zài)叶(yè)片(piàn)周(zhōu)围(wéi)形(xíng)成(chéng)一(yī)个(gè)从(cóng)冷(lěng)面(miàn)流(liú)向(xiàng)热(rè)面(miàn)的(de)气(qì)流(liú)，这(zhè)种(zhǒng)流动产生的力推动了叶片旋转。

这种现象其实是光泳的一种表现。简单来说，光泳是指当光照射在稀薄气体中的物体上时，气体分子因温度差而产生流动，从而推动物体运动或悬浮。不过，光泳产生的升力太弱，远不足以让辐射计真正漂浮起来。

若要实现真正的升力，就需要更轻、更隔热的材料。过去的研究虽已能让物体在光照下悬浮，但要么只能在微观尺度上实现，要么需要强烈的人造光源。

这一次，研究(jiū)团(tuán)队(duì)通(tōng)过(guò)纳(nà)米(mǐ)级(jí)制(zhì)造(zào)技(jì)术(shù)，成(chéng)功(gōng)制(zhì)造(zào)出(chū)了(le)厘(lí)米(mǐ)级(jí)的(de)飞(fēi)行(xíng)装(zhuāng)置(zhì)，能(néng)在接近自然阳光强度的光照下实现悬浮。

该装置由两片带孔的氧化铝薄片组成，中间以稀疏分布的垂直支撑相连，厚度(dù)仅为25纳米。这样的设计既能最大限度减少上下薄片之间的热传导，又能让气流通过孔洞，形成足够的升力。

为了增强吸光(guāng)能(néng)力(lì)，研(yán)究(jiū)人(rén)员(yuán)在(zài)底(dǐ)部(bù)薄(báo)片(piàn)镀(dù)上(shàng)一(yī)层(céng)铬(gè)。这(zhè)样(yàng)，在(zài)阳(yáng)光(guāng)照(zhào)射(shè)下(xià)，底(dǐ)部(bù)薄(báo)片(piàn)升(shēng)温(wēn)更(gèng)快(kuài)。当(dāng)气(qì)体(tǐ)分(fēn)子(zi)撞(zhuàng)击(jī)底(dǐ)部(bù)薄(báo)片(piàn)时(shí)，会吸收部分热量并以更高动量反弹，而撞上较冷的顶部薄片时分子的反弹较弱。这种动量差形成了光泳升力，推动整个装置向上。

真(zhēn)实飞行结构在光照下飞行的延时摄影。（图：Ben Schafer, Jong-hyoung Kim & Gyeong-Seok Hwang）

实验中，研究人员在低压舱内模拟高空环境，并测量了装置的升力。结果显示：当气压为(wèi)26.7帕(pà)、光(guāng)照(zhào)强(qiáng)度(dù)为(wèi)太(tài)阳(yáng)光(guāng)的(de)55%时(shí)，一(yī)个(gè)一(yī)厘(lí)米(mǐ)宽(kuān)的(de)结(jié)构(gòu)成(chéng)功(gōng)实(shí)现(xiàn)了(le)悬(xuán)浮(fú)。这(zhè)样(yàng)的(de)条(tiáo)件(jiàn)对(duì)应(yīng)地(de)球(qiú)上(shàng)空(kōng)约60千米的高度——正是中间层的下部区域。

研究团队还初步设计了更大的版本：一个半径约3厘米、可携带10毫克载荷的装置，有望在距地面75千米的高空飞行。

未来，若要让这种飞行器不仅能悬浮在中间层，还能承担实际任务，这些超轻结构仍需进一步放大，并具备携带更重载荷的能力。当那一天到来时，这种装置将展现出巨大的应用潜力。

第一个应用方向是气候科学。如果在装置装上安装微型传感器，它就能长期悬浮在中间层，实(shí)时(shí)测(cè)量(liàng)风(fēng)速(sù)、气(qì)压(yā)、温(wēn)度(dù)等(děng)关键数(shù)据(jù)。这(zhè)些(xiē)数(shù)据(jù)对(duì)校(xiào)准(zhǔn)气(qì)候(hou)模(mó)型(xíng)至(zhì)关重(zhòng)要(yào)，而(ér)气(qì)候(hou)模(mó)型(xíng)正(zhèng)是(shì)天(tiān)气(qì)预报和气候变化预测的基础。

此外，未来还可能在中间层部署一支高空悬浮天线阵列，其数据传输能力堪比低轨卫星（如 Starlink），但因距离地面更近，信号延迟更小。


设备的潜在应用场景示意图。（图：Ben Schafer & Jong-hyoung Kim）

甚至有一天，这种装置还可能被用于火星探测。火星大气稀薄，非常适合光泳发挥作用。或许未来，这些仅靠阳光驱动的飞行器，真的能漂浮(fú)在(zài)火(huǒ)星(xīng)的(de)天(tiān)空(kōng)，向(xiàng)地(de)球(qiú)传(chuán)回(huí)关于(yú)它(tā)的(de)信(xìn)息(xi)。

本(běn)文为(wèi)·创(chuàng)作(zuò)培(péi)育(yù)计(jì)划(huà)扶(fú)持(chí)作(zuò)品(pǐn)

作(zuò)者(zhě)：吕同舟 科普作者
审核：孟杨 北京航空航天大学飞行学院 副教授
出品：中国科协科普部
监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司

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