طائرات جديدة تعمل بالطاقة الشمسية لاستكشاف الغلاف الجوي العلوي للأرض

كشف باحثون عن جهاز خفيف الوزن يشبه القرص يمكنه أن يطفو في طبقة الميزوسفير، وهي جزء من الغلاف الجوي يقع على ارتفاع يتراوح بين 30 إلى 60 ميلاً فوق سطح الأرض، باستخدام ضوء الشمس.

طائرات جديدة تعمل بالطاقة الشمسية لاستكشاف الغلاف الجوي العلوي للأرض

تم تصميم جهاز إثبات المفهوم من قبل فريق من كلية جون أ. بولسون للهندسة والعلوم التطبيقية في جامعة هارفارد، حيث كانت طبقة الميزوسفير بقعةً علميةً خافية، يصعب إجراء أبحاثٍ عليها باستخدام التقنيات الحالية، فهي بعيدة عن متناول الطائرات والمناطيد، وتقع أسفل مدارات الأقمار الصناعية.

قال ديفيد كيث، الأستاذ بجامعة شيكاغو، المشارك في تطوير الجهاز: "يفتح هذا الجهاز آفاقًا جديدة كليًا من الأجهزة: أجهزة خاملة، تعمل بالطاقة الشمسية، ومُجهزة بشكل فريد لاستكشاف الغلاف الجوي العلوي. وقد تُستخدم لاحقًا في رحلات إلى المريخ أو كواكب أخرى". 

سمحت التطورات الأخيرة في تكنولوجيا تصنيع النانو للفريق بإنشاء الأجهزة النانوية خفيفة الوزن ذات الدقة العالية، حيث يعمل الجهاز الجديد على الارتفاع باستخدام تقنية الفوتوفوريسيس، التي تعتمد على ضوء الشمس. 

وقال بن شافر، المؤلف الرئيسي للدراسة: "نحن ندرس هذه الآلية الفيزيائية الغريبة التي تسمى بالفوتوفوريسيس وقدرتها على رفع أجسام خفيفة الوزن للغاية عندما تسلط الضوء عليها".

عادةً ما تكون القوة الضوئية ضعيفةً جدًا بحيث لا تُلاحَظ، ومع ذلك، فإن الجهاز الجديد صغيرٌ وخفيفُ الوزن لدرجة أن هذه القوة قويةٌ بما يكفي للتغلب على وزنه، مما يسمح له بالارتفاع في الهواء.

قام الباحثون بتطوير عملية تصنيع نانوية لإنشاء أجهزة مرنة بمقياس السنتيمتر، حيث يستخدم الجهاز أغشية صغيرة ورقيقة من أكسيد الألومنيوم الخزفي وطبقة سفلية من الكروم لامتصاص أشعة الشمس. 

في إحدى التجارب، تبين أن هيكلًا عرضه سنتيمتر واحد يرتفع في الهواء عند ضغط جوي يبلغ 26.7 باسكال - وهي حالة توجد على ارتفاع 60 كيلومترًا فوق سطح الأرض - عند تعرضه للضوء (LED والليزر) بنسبة 55% فقط من شدة ضوء الشمس.

"هذه هي المرة الأولى التي يثبت فيها أي شخص أنه من الممكن بناء هياكل ضوئية أكبر وجعلها تطير في الغلاف الجوي"، كما أشار كيث. 

يتمتع الجهاز الجديد بالعديد من التطبيقات المحتملة، وخاصة في علم المناخ ، حيث يمكنه حمل أجهزة استشعار لجمع البيانات حول سرعة الرياح والضغط ودرجة الحرارة من طبقة الميزوسفير. 

بالإضافة إلى ذلك، يُمكن استخدام هذه التقنية في الاتصالات، حيث تُشكّل مجموعة من الأجهزة مصفوفة هوائيات عائمة للدفاع والاستجابة للطوارئ. كما يُمكن تكييفها لاستكشاف الكواكب على المريخ.

ويعمل الباحثون الآن على دمج حمولات الاتصالات للسماح للأجهزة بنقل البيانات في الوقت الفعلي.