Fotoforeza poate genera un pic de ridicare fără piese mobile.
Majoritatea oamenilor ar recunoaște dispozitivul din imaginea de mai sus, deși probabil că nu l -ar ști cu numele său formal: radiometrul Crookes. După cum implică numele său, plasarea radiometrului în lumină produce o schimbare măsurabilă: Lamele încep să se învârtă.
Din păcate, mulți oameni înțeleg greșit fizica funcționării sale (la care vom reveni în scurt timp). Forțele reale care determină lamele să se rotească, numite fotoforeză, pot acționa pe o varietate de structuri, atât timp cât sunt plasate într-o atmosferă suficient de mică de densitate. Acum, o echipă de cercetători și -a dat seama că ar putea fi posibilă utilizarea efectului fotoforetic pentru a manta foi subțiri de metal în atmosfera superioară a Pământului și a altor planete. În timp ce ideea lor este să o folosească pentru a trimite sonde în porțiunea atmosferei care este prea mare pentru baloane și prea scăzute pentru sateliți, au testat unele prototipuri de lucru puțin mai aproape de suprafața Pământului.
Fotoforeză
Este destul de comun – și destul de greșit – să vezi explicații despre radiometrul Crookes care implică presiunea de radiații. Se presupune că laturile întunecate ale lamelor absoarbe mai mulți fotoni, fiecare dintre ele purtând un pic de impuls, oferind părții întunecate a lamelor o apăsare constantă. Problema cu această explicație este că fotonii sări din partea argintii, ceea ce oferă și mai mult impuls. Dacă dispozitivul s -ar învârti din cauza presiunii de radiație, acesta ar fi transformat în direcția opusă decât de fapt.
Cu toate acestea, un exces de fotoni absorbiți pe partea întunecată este esențială pentru a înțelege modul în care funcționează. Fotoforeza funcționează prin diferența de temperatură care se dezvoltă între partea întunecată caldă, absorbantă a luminii, a lamei și partea argintie mai rece.
Orice moleculă de gaz care se izbucnește în partea întunecată va ridica probabil o parte din excesul de energie termică din ea și se va îndepărta de lamă mai repede decât a ajuns. La felul de presiuni atmosferice pe care le experimentăm în mod normal, aceste molecule nu ajung foarte departe înainte de a intra în alte molecule de gaz, ceea ce păstrează diferențe semnificative de la dezvoltare.
Dar un radiometru Crookes se află într -un recipient de sticlă sigilat, cu o presiune mult mai mică a aerului. Acest lucru permite moleculelor de gaz să accelereze mult mai departe de suprafața întunecată a lamei înainte de a se confrunta cu orice, creând o zonă cu o presiune ceva mai mică la suprafața sa. Acest lucru face ca gazul de lângă suprafața părții strălucitoare să se grăbească și să umple această zonă de presiune inferioară, oferind forța care pornește lamele rotind.
Cu toate acestea, este destul de impresionant de ineficient în acest tip de configurație. Așadar, oamenii au petrecut mult timp încercând să proiecteze configurații alternative care pot genera un pic mai multă forță. O idee cu multă tracțiune de cercetare este o configurație care implică două foi subțiri de metal – o lumină, una întunecată – legată paralel între ele. Ambele foi ar fi puternic perforate pentru a reduce greutatea. Și un subset dintre ele ar avea o țeavă scurtă de conectare a găurilor pe foaia de sus și de jos. (Aceasta a ridicat porecla „Nanocardboard”.)
Aceste conducte ar servi mai multe scopuri. Unul este să legați pur și simplu cele două foi într -o singură unitate. Un altul este să acționezi ca un izolator, împiedicând căldura de la trecerea de la foaia întunecată la cea ușoară și, astfel, îmbunătățirea gradientului de temperatură. În cele din urmă, oferă o cale directă pentru ca aerul să se deplaseze de la partea de sus a foii de culoare deschisă în partea de jos a celei întunecate, oferind un pic de tracțiune direcționată pentru a ajuta la menținerea foilor în sus.
Optimizare
După cum v -ați putea imagina, există o mulțime de parametri liberi pe care îi puteți regla: dimensiunea decalajului dintre foi, densitatea perforațiilor din ele, numărul acelor găuri care sunt conectate de o țeavă și așa mai departe. Așadar, o echipă mică de cercetători a dezvoltat un sistem pentru a modela diferite configurații și a încerca să optimizeze pentru ridicare. (Vom ajunge la motivațiile lor pentru a face acest lucru un pic mai târziu.)
Începând cu un disc de nanocard, „intrările la model sunt proprietățile geometrice, optice și termice ale discului, condițiile de gaze ambientale și fluxurile de căldură radiativă externă de pe disc”, după cum îl descriu cercetătorii. “Rezultatele sunt fluxurile de căldură conductoare pe cele două membrane, temperaturile membranei și forța de plasare fotoforetică netă asupra structurii.” În general, condițiile de gaze ambientale necesare pentru a genera ridicarea sunt similare cu cele din interiorul radiometrului Crookes: cu mult sub presiunea aerului la nivelul mării.
Modelul a sugerat că trei tendințe ar trebui să influențeze orice proiecte finale. Primul este că densitatea perforațiilor este un echilibru. La creșteri relativ mici (adică o atmosferă mai densă), multe perforații cresc stresul pe foi mari, dar scad stresul pentru obiectele mici la creșteri mari. Celălalt lucru este că, mai degrabă decât să crească cu suprafața, ridicarea tinde să scadă, deoarece foile sunt mai susceptibile să se echilibreze cu temperaturile predominante. Un milimetru pătrat de Nanocardboard produce de peste 10 ori mai multă ridicare pe suprafață decât o bucată de 10 metri pătrați din același material.
În cele din urmă, cercetătorii calculează că ascensorul este maxim în mesosferă, zona chiar deasupra stratosferei (50–100 kilometri deasupra suprafeței Pământului).
Lumină și ridicare
Cercetătorii au construit apoi câteva foi de Nanocardboard pentru a testa producția modelului lor. Produsele reale, realizate în principal din crom, aluminiu și oxid de aluminiu, au fost incredibil de ușoare, cântărirea doar un gram pentru un metru pătrat de material. Când sunt iluminate de un LED cu laser sau alb, au generat o forță măsurabilă pe un dispozitiv de testare, cu condiția ca atmosfera să fie păstrată suficient de rară. Cu o expunere echivalentă cu lumina soarelui, dispozitivul a generat mai mult decât cântărea.
Este o demonstrație cu adevărat drăguță că putem lua un efect fizic relativ obscur și slab și dispozitive de design care pot levita în atmosfera superioară, alimentate de nimic altceva decât lumina soarelui – ceea ce este destul de mișto.
Dar cercetătorii au un obiectiv dincolo de asta. Mesofera se dovedește a fi o parte cu adevărat dificilă a atmosferei de studiat. Nu este suficient de dens pentru a sprijini baloanele sau aeronavele, dar mai are suficient gaz pentru a face o muncă rapidă a oricăror sateliți. Așadar, cercetătorii doresc cu adevărat să transforme unul dintre aceste dispozitive într-o aeronavă care transportă instrumente. Din păcate, asta ar însemna adăugarea componentelor structurale necesare pentru a deține instrumente, împreună cu instrumentele în sine. Și chiar și în mezosferă, unde ridicarea este optimă, aceste lucruri nu generează prea multe în calea ridicatului.
În plus, există problema de a le duce acolo, având în vedere că nu vor genera suficient ridicare în atmosfera inferioară, așa că vor trebui să fie transportați în stratosfera superioară de altceva și apoi vor fi eliberați suficient de ușor pentru a nu le deteriora structura fragilă. Și atunci, dacă nu le îndepărtați în timpul verii polare, probabil că vor veni plutind înapoi noaptea.
Nimic din toate acestea nu înseamnă că acesta este un vis imposibil. Dar cu siguranță există o mulțime de obstacole foarte mari între lucrări și aplicații practice de pe Pământ – mult mai puțin pe Marte, unde autorii sugerează că sistemul ar putea fi folosit și pentru a explora mesosfera. Dar chiar dacă acest lucru nu ajunge să fie realist, acesta este încă un pic de fizică destul de îngrijită.
John este editorul științific al ARS Technica. Are un licențiat în arte în biochimie de la Universitatea Columbia și un doctorat. în biologie moleculară și celulară de la Universitatea din California, Berkeley. Când se desparte fizic de tastatura sa, el tinde să caute o bicicletă sau o locație pitorească pentru comunicarea cu cizmele sale de drumeție.
