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【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量，但这种观测通常只能持续几分钟。（图：Ben Schafer & Jong-hyoung Kim）

今年8月，《自然》杂志刊登的一项研究带来了探索中间层的全新飞行装置：研究人员制造出了一种无需燃烧、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(zhuǎn)动(dòng)，因(yīn)为(wèi)反(fǎn)射(shè)光(guāng)的(de)白(bái)面(miàn)获(huò)得(de)的(de)动(dòng)量(liàng)更(gèng)大(dà)。

但(dàn)事(shì)实(shí)上(shàng)，这(zhè)种(zhǒng)旋(xuán)转(zhuǎn)源(yuán)于(yú)装(zhuāng)置(zhì)与(yǔ)周(zhōu)围(wéi)气(qì)体(tǐ)之(zhī)间(jiān)的(de)热(rè)传(chuán)递(dì)。在(zài)辐(fú)射(shè)计(jì)内(nèi)，气(qì)体(tǐ)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(dàn)得(de)更(gèng)快(kuài)、获(huò)得(de)更(gèng)多(duō)动(dòng)量(liàng)。于(yú)是(shì)，这(zhè)个(gè)动(dòng)量(liàng)差(chà)会(huì)让(ràng)气(qì)体(tǐ)在(zài)叶(yè)片(piàn)周(zhōu)围(wéi)形(xíng)成(chéng)一(yī)个(gè)从(cóng)冷(lěng)面(miàn)流(liú)向(xiàng)热(rè)面(miàn)的(de)气(qì)流(liú)，这(zhè)种(zhǒng)流(liú)动(dòng)产(chǎn)生(shēng)的(de)力(lì)推(tuī)动(dòng)了(le)叶(yè)片(piàn)旋(xuán)转(zhuǎn)。

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60千米的高度——正是中间层的下部区域。

研究团队还初步设计了更大的版本：一(yī)个(gè)半(bàn)径约(yuē)3厘(lí)米(mǐ)、可(kě)携(xié)带(dài)10毫(háo)克(kè)载(zài)荷(hé)的(de)装(zhuāng)置(zhì)，有(yǒu)望(wàng)在(zài)距(jù)地(de)面(miàn)75千(qiān)米(mǐ)的(de)高(gāo)空(kōng)飞(fēi)行(xíng)。

未(wèi)来(lái)，若(ruò)要(yào)让(ràng)这(zhè)种(zhǒng)飞(fēi)行(xíng)器(qì)不(bù)仅(jǐn)能(néng)悬(xuán)浮(fú)在(zài)中(zhōng)间(jiān)层(céng)，还(hái)能(néng)承(chéng)担(dān)实(shí)际(jì)任(rèn)务(wu)，这(zhè)些(xiē)超(chāo)轻(qīng)结(jié)构(gòu)仍(réng)需(xū)进(jìn)一(yī)步(bù)放(fàng)大(dà)，并(bìng)具(jù)备(bèi)携(xié)带(dài)更(gèng)重(zhòng)载(zài)荷(hé)的(de)能(néng)力(lì)。当那一天到来时，这种装置将展现出巨大的应用潜力。

第一个应用方向是气候科学。如果在装置装上安装微型传感器，它就能长期悬浮在中间层，实时测量风速、气压、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(néng)在(zài)中(zhōng)间(jiān)层(céng)部(bù)署(shǔ)一(yī)支(zhī)高(gāo)空(kōng)悬(xuán)浮(fú)天(tiān)线(xiàn)阵(zhèn)列(liè)，其(qí)数(shù)据(jù)传(chuán)输(shū)能(néng)力(lì)堪(kān)比(bǐ)低(dī)轨(guǐ)卫(wèi)星(xīng)（如(rú) Starlink），但(dàn)因(yīn)距(jù)离(lí)地(de)面(miàn)更(gèng)近(jìn)，信(xìn)号(hào)延(yán)迟(chí)更(gèng)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(tiān)空(kōng)，向(xiàng)地(de)球(qiú)传(chuán)回(huí)关于(yú)它(tā)的(de)信(xìn)息(xi)。

本(běn)文为(wèi)·创作培育计划扶持作品

作者：吕同舟 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