دانشمندان به طراحی ریزپرنده‌هایی پرداخته‌اند که تنها با استفاده از انرژی خورشید در هوا معلق می‌شوند
آیا می‌توانید تصوری از ورقه‌ای فلزی داشته باشید که فقط با تابش نور خورشید در آسمان معلق بماند؟ این مفهوم بیشتر شبیه به داستان‌های علمی تخیلی به نظر می‌رسد؛ اما محققان به تازگی چنین چیزی را طراحی کرده‌اند: غشاهای ریز سوراخ‌دار به اندازه‌ی یک دست که قادرند تنها با اتکا به تغییرات دما، به‌طور نامحدود در لایه‌های بالایی جو زمین معلق باشند. محققین امیدوارند که نسخه‌های آینده این “بشقاب‌های پرنده‌ی کوچک” بتوانند تأثیرات تغییرات اقلیمی را در ارتفاعات بالا رصد کنند و حتی در اکتشافات جو سیاره‌ی مریخ مورد استفاده قرار بگیرند.
روت لیبرمن، فیزیکدان در عرصه‌ی انرژی خورشیدی که در طراحی‌های اولیه این فناوری مشارکت داشته اما در این تحقیق حاضر نبوده، به‌عنوان یک دستاورد انقلابی به پژوهش‌های انجام شده نگاه می‌کند. او بیان می‌کند: «این غشاها به عنوان کارآمدترین اجسام پرنده‌ای که تا به حال با این خاصیت فیزیکی نادر ساخته شده‌اند، به نوعی دستگاه‌های سبز “حرکت دائمی” به شمار می‌آیند.»
مزوسفر برای ماهواره‌ها از چگالی بیش از حدی برخوردار است و برای پرواز هواپیماها یا بالن‌ها نیز به‌اندازه‌ی کافی چگال نیست.
بن شفر، مهندس مواد در دانشگاه هاروارد و نویسنده اصلی این تحقیق، به دنبال راهی برای بررسی مزوسفر بوده است؛ لایه‌ای از جو که در ارتفاع ۵۰ تا ۸۰ کیلومتری قرار دارد و به دلیل دشواری در دسترسی و حفظ تجهیزات در آن، به “لایه‌ی نادیده گرفته شده” معروف است. این ناحیه نه تنها برای ماهواره‌ها متراکم است، بلکه برای پرواز بالن‌ها و هواپیماها نیز بسیار نازک به حساب می‌آید. علی‌رغم ناشناختگی آن، مزوسفر به‌عنوان “قناری معدن” تغییرات اقلیمی شناخته می‌شود؛ چرا که ابرهای موجود در این لایه تحت تأثیر تغییرات دما و بخار آب بسیار حساس‌اند.
چند سال پیش، تیمی به رهبری ایگور بارگاتین، مهندس مواد در دانشگاه پنسیلوانیا، پیشنهاد کرد که با استفاده از یک پدیده‌ی فیزیکی کمتر شناخته شده به نام “فوتوفورز” یا “حرکت ناشی از نور” در مزوسفر حرکت کنیم. این پدیده که به‌دلیل دستگاه عجیب رادیومتر کروکس شناخته می‌شود، از نور برای ایجاد تفاوت دما بین دو سمت یک سطح نازک بهره می‌برد. در جو رقیق، این تفاوت دما می‌تواند برای جابه‌جایی مولکول‌های هوا در اطراف سطح و ایجاد نیروی کافی جهت حرکت به کار گرفته شود.
در سال ۲۰۲۱، گروه بارگاتین دستگاه کوچکی را معرفی کرد که قابلیت پرواز فوتوفورتیک را داشت؛ اما این پرنده به‌اندازه‌ی یک مداد و نازک‌تر از پلاستیک سلفون بود و نمی‌توانست به‌اندازه‌ای بلند شود که ابزارهای علمی مفید را حمل کند.
بیشتر بخوانید
برای گسترش فناوری اولیه، شفر و تیمش دستگاهی را طراحی کردند که از دو ورقه‌ی سوراخ‌دار اکسید آلومینیوم تشکیل شده است. این ورقه‌ها با ستون‌های ریز به هم متصل می‌شوند، یک سمت نور را جذب و سمت دیگر آن را عبور می‌دهند. این تفاوت دما به جابه‌جایی هوای رقیق در ارتفاعات بالا و حتی از طریق سوراخ‌های کوچک دستگاه کمک می‌کند و آن را در هوا معلق نگه می‌دارد. مزوسفر به‌طرز خاصی برای چنین دستگاه‌هایی ایده‌آل است: نور خورشید به‌اندازه کافی وجود دارد تا تفاوت دما را ایجاد کند و چگالی هوا نیز در میزان مناسب است.
تیم پژوهشگران با دقت مدل‌سازی نیروهای وارد بر دستگاه در مزوسفر، آن را برای حمل بیشترین بار ممکن بهینه‌سازی کردند؛ کاری که به‌گفته‌ی شفر، از خود طراحی دستگاه چالش‌برانگیزتر بود. نسخه‌ی بهینه‌شده برای مزوسفر حدود ۶ سانتی‌متر قطر دارد و محققین تخمین زده‌اند که این دستگاه می‌تواند در تابستان در عرض‌های جغرافیایی قطبی به‌طور نامحدود پرواز کند و در شب با استفاده از نور فروسرخ منعکس‌شده از سطح گرم زمین پایدار بماند. این دستگاه همچنین در نزدیکی استوا نیز کارایی دارد، اما فقط در طول روز.
این اختراع جدید فقط قادر است ۱۰ میلی‌گرم بار را حمل کند؛ که برابر با وزن چند دانه شن است. اما همین وزن برای یک سیستم مخابراتی کوچک با آنتن رادیویی و پنل خورشیدی یا حسگر کوچک برای تحلیل تغییرات آب‌وهوا کافی است. لیبرمن بیان می‌کند: «می‌توانم یک ناوگان جهانی از این دستگاه‌ها را تصور کنم که به‌عنوان بخشی از پیش‌بینی‌های روزمره‌ی جوی، چندین بار در روز پرتاب می‌شوند.»
این اختراع جدید فقط می‌تواند ۱۰ میلی‌گرم بار حمل کند
این گروه تحقیقاتی همچنین قصد دارند پرنده‌های کوچکی را به مریخ بفرستند؛ جایی که جو رقیق آن ویژگی‌های مشابهی با مزوسفر زمین دارد. ادوین کایت، ژئوفیزیکدان دانشگاه شیکاگو که در این تحقیق نقشی نداشته است، اشاره می‌کند که مدارگردهای کنونی مریخ نتوانسته‌اند به‌خوبی جو پایینی این سیاره را بررسی کنند. گروهی از پرنده‌های فوق‌سبک می‌توانند این نقص را جبران کرده و به‌طور مداوم اطلاعاتی از وضعیت آب‌وهوای مریخ، از جمله سرعت باد، بخار آب و سایر شرایط اقلیمی ارسال کنند.
البته این دستگاه‌ها در زمین با چالش‌هایی روبه‌رو هستند. چندی پیش، دولت دونالد ترامپ از ناسا خواست تا چندین مأموریت ماهواره‌ای که به اندازه‌گیری نقش گازهای گلخانه‌ای در تغییرات اقلیمی پرداخته بودند را متوقف کند. مشابه بسیاری دیگر از دانشمندانی که با کاهش بودجه برای پژوهش‌های اقلیمی و سیاره‌ای مواجه شده‌اند، شفر نیز به سمت بخش خصوصی جلب نظر کرده است. او در سال ۲۰۲۳ شرکتی به نام Rarefied تأسیس کرد که امیدوار است تجهیزات را به مزوسفر زمین بفرستد و آن‌ها را برای مصارف تجاری توسعه دهد.
این پژوهش در مجله‌ی نیچر منتشر شده است.
