【導語】地球中間層因位置特殊，成為大氣“空白地帶”。今年8月《自然》雜誌研究帶來探索新裝置——一種僅靠陽光就能懸浮的輕質飛行結構。其原理源於光泳，研究團隊通過納米級技術實現厘米級裝置在自然光下懸浮，未來在氣候科學、通信甚至火星探測等領域潛力巨大。

糖心免费视频都知道，地球的大氣層被分為多個層次，比如常聽到的對流層和平流層。而在離地麵50到100公裏之間，還有一層中間層。它對飛機和氣象氣球來說太高，對衛星來說又太低。於是，這片區域成為了大氣中最神秘的“空白地帶”。


中間層，也常被稱為“無知層”。探空火箭可以短暫進去中間層，並攜帶儀器進行原位測量，但這種觀測通常隻能持續幾分鍾。（圖：Ben Schafer & Jong-hyoung Kim）

今年8月，《自然》雜誌刊登的一項研究帶來了探索中間層的全新飛行裝置：研究人員製造出了一種無需燃燒、沒有旋翼、也不依賴推進係統的輕質飛行結構——它隻需要陽光就能(néng)懸(xuán)浮(fú)起(qǐ)來(lái)。

要(yào)理(lǐ)解(jiě)這(zhè)項(xiàng)技(jì)術(shù)的(de)奇(qí)妙(miào)原(yuán)理(lǐ)，我(wǒ)們(men)得(de)把(bǎ)時(shí)間(jiān)倒(dào)回(huí)150多(duō)年(nián)前(qián)。

1873年(nián)，英(yīng)國(guó)化(huà)學(xué)家(jiā)威(wēi)廉(lián)·克(kè)魯(lǔ)克(kè)斯(sī)（William Crookes）發(fā)明(míng)了(le)一(yī)種(zhǒng)精(jīng)巧(qiǎo)的(de)小(xiǎo)裝(zhuāng)置(zhì)——光(guāng)能(néng)輻(fú)射(shè)計(jì)（也成為克魯克斯輻射計）。它由一個密封的玻璃燈泡和一組安裝在燈泡內部轉軸上的葉片組成。葉片的一麵是黑色，另一麵則是白色。黑麵會吸(xī)收(shōu)大(dà)部(bù)分(fēn)照(zhào)射(shè)在(zài)它(tā)上(shàng)麵(miàn)的(de)可(kě)見(jiàn)光(guāng)，而(ér)白(bái)麵(miàn)則(zé)將(jiāng)光(guāng)向(xiàng)各(gè)個(gè)方(fāng)向(xiàng)反(fǎn)射(shè)。當(dāng)輻(fú)射(shè)計(jì)受(shòu)到(dào)強(qiáng)光(guāng)照(zhào)射(shè)時(shí)，葉(yè)片(piàn)便(biàn)會(huì)旋(xuán)轉(zhuǎn)，看(kàn)起(qǐ)來(lái)就(jiù)像(xiàng)是(shì)光(guāng)在(zài)推(tuī)著黑麵轉動一樣。

起初，克魯克斯認為這種旋轉是由輻射壓（光子撞擊葉片時傳遞的動量）造成的。但如果真是如此，葉片本應向相反方向轉動，因為反射光的白麵獲得的動量更大。

但事實上，這種旋轉源於裝置與周圍氣體之間的熱傳遞。在輻射計內，氣體分子在不斷撞擊葉片。由於黑麵吸收更多光，溫度更高，所以撞到它的氣體分子反彈得更快、獲得更多動量。於是，這個動量差會讓氣體在葉片周圍形成一個從冷麵流向熱麵的氣流，這種流動產生的力推動了葉片旋轉。

這種現象其實是光泳的一種表現。簡單來說，光泳是指當光照射在稀薄氣體中的物體上時，氣體分子因溫度差而產生流動，從而推動物體運動或懸浮。不過，光泳產生的升力太弱，遠不足以讓輻射計真正漂浮起來。

若要實現真正的升力，就需要更輕、更隔熱的材料。過去的研究雖已能讓物體在光照下懸浮，但要麽隻能在微觀尺度上實現，要麽需要強烈的人造光源。

這一次，研究團隊通過納米級製造技術，成功製造出了厘米級的飛行裝置，能在接近自然陽光強度的光照下實現懸浮。

該裝置由兩片帶孔的氧化鋁薄片組成，中間以稀疏分布的垂直支撐相連，厚度僅為25納米。這樣的設計既能最大限度減少上下薄片之間的熱傳導，又能讓氣流通過孔洞，形成足夠的升力。

為了增強吸光能力，研究人員在底部薄片鍍上一層鉻。這樣，在陽光照射下，底部薄片升溫更快。當氣體分子撞擊底部薄片時，會吸收部分熱量並以更高動量反彈，而撞上較冷的頂部薄片時分子的反彈較弱。這種動量差形成了光泳升力，推動整個裝置向上。

真實飛行結構在光照下飛行的延時攝影。（圖：Ben Schafer, Jong-hyoung Kim & Gyeong-Seok Hwang）

實驗中，研究人員在低壓艙內模擬高空環境，並測量了裝置的升力。結果顯示：當氣壓為26.7帕、光照強度為太陽光的55%時，一個一厘米寬的結構成功實現了懸浮。這樣的條件對應地球上空約60千米的高度——正是中間層的下部區域。

研究團隊還初步設計了更大的版本：一個半徑約3厘米、可攜帶10毫克載荷的裝置，有望在距地麵75千米的高空飛行。

未來，若要讓這種飛行器不僅能懸浮在中間層，還能承擔實際任務，這些超輕結構仍需進一步放大，並具備攜帶更重載荷的能力。當那一天到來時，這種裝置將展現出巨大的應用潛力。

第一個應用方向是氣候科學。如果在裝置裝上安裝微型傳感器，它就能長期懸浮在中間層，實時測量風速、氣壓、溫度等關鍵數據。這些數據對校準氣候模型至關重要，而氣候模型正是天氣預報和氣候變化預測的基礎。

此外，未來還可能在中間層部署一支高空懸浮天線陣列，其數據傳輸能力堪比低軌衛星（如 Starlink），但因距離地麵更近，信號延遲更小。


設備的潛在應用場景示意圖。（圖：Ben Schafer & Jong-hyoung Kim）

甚至有一天，這種裝置還可能被用於火(huǒ)星(xīng)探(tàn)測。火星大氣稀薄，非常適合光泳發揮作用。或許未來，這些僅靠陽光驅動的飛行器，真的能漂浮在火星的天空，向地球傳回關於它的信息(xi)。

本文為·創作培育計劃扶持作品

作者：呂同舟 科普作者
審核：孟楊 北京航空航天大學飛行學院 副教授
出品：中國科協科普部
監製：中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司