全新飞行方式!超薄“纳米纸板”可实现光照悬浮,未来或用于火星探测

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全新飞行方式!超薄“纳米纸板”可实现光照悬浮,未来或用于火星探测
麻省理工科技评论 2020-05-27

2020-05-27

宾夕法尼亚大学机械工程师伊戈尔 · 巴尔加廷(Igor Bargatin)开发出一种微型悬浮 “纳米纸板” 飞行器
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宾夕法尼亚大学机械工程师伊戈尔 · 巴尔加廷(Igor Bargatin)开发出一种微型悬浮 “纳米纸板” 飞行器

通常情况下,我们吹一口气就能让一片纸屑或塑料袋在空中停留片刻的飞行状态,但停止吹气,它们就会丧失“动力”,很快落到地面。至今,所有传统飞行器基本也都需要有燃料或电能载荷、动力系统和机翼旋翼等才能保持飞行。

如今,宾夕法尼亚大学机械工程师伊戈尔 · 巴尔加廷(Igor Bargatin)开发出一种微型悬浮 “纳米纸板” 飞行器,它们能像悬浮在阳光中的尘埃一样飞扬,但具有目的性。这种 “纳米纸板” 的重量不到千分之一克,但足够坚硬,可以抵抗一定的冲击力。

最神奇的是,只需要一束光的能量,它就能飞起来,在没有任何飞行部件的情况下飞来飞去,研究人员目前正在进一步探索这种材料有效载荷飞行的可能,将来或用于火星探索。

2018 年,巴尔加廷和团队就把利用光悬浮的纳米级材料研究成果发表在 Nature Communications 杂志上,此后他们就一直在探索该技术的发展,并弄清楚其实际的应用性。

超薄“纳米纸板”可实现光照悬浮,未来或用于火星探测

图|伊戈尔 · 巴尔加廷在他的实验室中(来源:宾夕法尼亚大学)

由于复杂的电子设备要求,将微型旋翼和襟翼飞行器的比例缩小至亚厘米尺寸是一项巨大挑战。现在,巴尔加廷团队利用具有 50 nm 厚度的纳米材料结构板,可以实现毫米到厘米级的光悬浮,纳米纸板不是通过传统的转子或机翼来产生升力,而是基于极低的质量和导热性,通过光能在板内的微通道产生的热能差而悬浮。

超薄“纳米纸板”可实现光照悬浮,未来或用于火星探测

图|纳米纸板需要在专门的洁净环境实验室内精心制作(来源:宾夕法尼亚大学)

这项研究的灵感来自已经存在了一个多世纪的仪器:光能辐射计,该仪器也被称为太阳风车,它本质上是部分处于真空状态的玻璃灯泡,内部装设一组金属叶片,叶片的一面是黑色,另一面是白色,当有光线照射时叶片会转动,光线愈强旋转愈快,从而提供简单的电磁辐射强度定量测量。

超薄“纳米纸板”可实现光照悬浮,未来或用于火星探测

图|运转中的光能辐射计(来源:维基百科)

当辐射计暴露在阳光下时,叶片的黑色面会吸收一些能量并变热一点。“然后发生的是,空气分子撞到了黑色的一面,吸收了一些热量,然后以比原先更快的速度离开。在物理学中,我们知道,只要动量或速度发生变化,就必定会有后坐力,反作用力必定会出现。后坐力在叶片较热的黑色侧面上推动的力要强于在较冷的白色侧面上,如果将其放在阳光直射的地方,可以使光能辐射计旋转得相当快。” 巴尔加廷解释说。

尽管光能辐射计已经存在了一个多世纪,但还没有人能够使用这些力来克服重力并使叶片悬浮,这就是新的纳米纸板创新的地方。

超薄“纳米纸板”可实现光照悬浮,未来或用于火星探测

图|纳米纸板是一种中空的、板状的氧化铝膜状产物,上面有狭缝状的通道(来源:Universetoday)

纳米纸板由厚度为几十纳米的氧化铝膜制成,为了 “建造” 它,研究人员创造了一种类似于瓦楞纸板的三明治结构,形成了一个几十微米高的中空板。由于材料是超轻的,因此极少的能量(仅一束光束)就可以使其产生动能,随着板的一侧变热,温差使得循环空气通过板的中空结构,仅基于结构中存在的温差,就会产生空气射流和相应的升力,将纳米纸板推离地面。

大约 20 年来,学者们一直在探索 “智能尘埃” 的概念:可以用作传感器,测量温度、压力等的超小颗粒。

想象一下使用 “微型飞行器” 进行搜索和救援的操作,该飞行器可以在瓦砾中的微小洞中飞来飞去,帮助找到被困人员,而无需让第一响应者冒险,也无需考虑能量不足或者机械飞行器损坏。

目前研究人员还在测试纳米纸板在地球大气中层(平流层以上和热层以下的区域,距地球约 30 到 50 英里)中的状态,这是一个完美的选择,因为在降低的气压下,电泳射流变得更快,从而可能让纳米纸板携带比本身重的载荷悬浮飞行,这样的新结构仅在太阳光的能量作用下就可以一直悬浮在大气层中。

超薄“纳米纸板”可实现光照悬浮,未来或用于火星探测

图|NASA 对外公布的“火星直升机”(来源:NASA)

新的研究表明,如果在类似于火星的环境中,纳米纸板飞行器实际上可承载的重量是自身重量的十倍,而火星具有相对较薄的大气层和较弱的重力,这种不需要旋翼或螺旋桨的微型飞机可能是未来星球漫游者的一项随身任务。

巴尔加廷表示:“火星直升机固然令人兴奋,但它仍然是一台复杂的机器,如果出现任何问题,在外太空的探索实验就会终结,因为无法远程修复它。纳米纸板飞行器是一种完全不同的方法,除了携带传感器之外,还可以简单地降落,并使尘埃或沙粒被动地粘附在其上,然后将它们运送回流动站。”

接下来,研究人员还在继续改进他们的纳米板技术,并在低压试验室测试这种材料,以研究纳米纸板在强光照射下的悬浮能力,测试它对阳光和聚焦激光的反应能力,最终也许会诞生一种持续受控的全新飞行方式。

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