官方网站-首页

【导语】地球中间层因位置特殊，成为大气“空白地带”，被称为“无知层”。今年8月《自然》杂志刊登研究，带来探索中间层的全新飞行装置——无需燃烧、无旋翼、不依赖推进系统，仅靠阳光就能悬浮。研究人员受光能辐射计启发，用纳米级制造技术造出厘米级飞行装置，能在接近自然阳光强度下悬浮。未来，该装置或将在气候科学、数据传输、火星探测等领域大放异彩。

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(cè)量(liàng)，但(dàn)这(zhè)种(zhǒng)观(guān)测(cè)通(tōng)常(cháng)只(zhǐ)能(néng)持(chí)续(xù)几(jǐ)分(fēn)钟(zhōng)。（图(tú)：Ben Schafer & Jong-hyoung Kim）

今(jīn)年(nián)8月(yuè)，《自(zì)然(rán)》杂(zá)志(zhì)刊(kān)登(dēng)的(de)一(yī)项(xiàng)研(yán)究(jiū)带(dài)来(lái)了(le)探(tàn)索(suǒ)中(zhōng)间(jiān)层(céng)的(de)全新(xīn)飞(fēi)行(xíng)装(zhuāng)置(zhì)：研(yán)究(jiū)人(rén)员(yuán)制(zhì)造(zào)出(chū)了(le)一(yī)种(zhǒng)无(wú)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（光子撞击叶片时传递的动量）造成的。但如果真是如此，叶片本应向相反方向转动，因为反射光的白面获得的动量更大。

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，这个动量差会让气体在叶片周围形成一个从冷面流向热面的气流，这种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(shí)现，要么需要强烈的人造光源。

这一次，研究团队通过纳米级制造技术，成功制造出了厘米级的飞行装置，能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。

为了增强吸光能力，研究人员在底部薄片镀上一层铬。这样，在阳光照射下，底部薄片升温更快。当气体分子撞击底部薄片时，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26.7帕、光照强度为太阳光的55%时，一个一厘米宽的结构成功实现了悬浮。这样的条件对应地球上空约60千(qiān)米(mǐ)的(de)高(gāo)度(dù)——正(zhèng)是(shì)中(zhōng)间(jiān)层(céng)的(de)下(xià)部(bù)区(qū)域。

研(yán)究(jiū)团(tuán)队(duì)还(hái)初(chū)步(bù)设(shè)计(jì)了(le)更(gèng)大(dà)的(de)版(bǎn)本(běn)：一(yī)个(gè)半(bàn)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(jù)大(dà)的(de)应(yīng)用(yòng)潜(qián)力(lì)。

第(dì)一(yī)个(gè)应(yīng)用(yòng)方(fāng)向(xiàng)是(shì)气(qì)候(hou)科(kē)学(xué)。如(rú)果(guǒ)在(zài)装(zhuāng)置(zhì)装(zhuāng)上(shàng)安(ān)装(zhuāng)微(wēi)型(xíng)传(chuán)感(gǎn)器(qì)，它(tā)就(jiù)能(néng)长(zhǎng)期(qī)悬(xuán)浮(fú)在(zài)中(zhōng)间(jiān)层(céng)，实(shí)时(shí)测(cè)量(liàng)风(fēng)速(sù)、气(qì)压、温度等关键数据。这些数据对校准气候模型至关重要，而气候模型正是天气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(de)面(miàn)更(gèng)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，真的能漂浮在火星的天空，向地球传回关于它的信息。

本文为(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(lǚ)同(tóng)舟(zhōu) 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