Dankzij nieuw nanotechnologisch hoogstandje kunnen wetenschappers eindelijk een kijkje nemen in die mysterieuze mesosfeer

Hoog boven ons hoofd bevindt zich een vrijwel onbereikbare zone van de atmosfeer: de mesosfeer. Voor vliegtuigen en weerballonnen is het te hoog, voor satellieten juist te laag. Daardoor is deze luchtlaag al decennialang een blinde vlek voor de wetenschap. Maar dat lijkt binnenkort te veranderen, dankzij piepkleine vliegende structuren die puur op zonne-energie blijven zweven.

Onderzoekers van Harvard en de University of Chicago hebben ultralichte membranen ontwikkeld die passief kunnen zweven in de mesosfeer. Het geheim zit hem in de zogenaamde fotoforese, een natuurkundig effect waarbij deeltjes op avontuur gaan wanneer ze aan een sterke lichtbron worden blootgesteld. Het zonlicht maakt de ene kant van het object warmer dan de andere, waardoor gasmoleculen harder tegen de warme zijde botsen. In de extreem lage luchtdruk van de mesosfeer, die zich op 50 tot 100 kilometer hoogte bevindt, levert dit een subtiele maar constante stuwkracht op. Als het object licht genoeg is, dan komt het geheel in beweging. “Normaal is dit effect zo zwak dat je het niet merkt”, legt hoofdonderzoeker Ben Schafer uit. “Maar door onze structuren extreem licht te maken, wordt de fotoforetische kracht groter dan hun gewicht, waardoor ze daadwerkelijk kunnen vliegen.”

Nanostructuren
Het idee voor deze zwevers ontstond ruim tien jaar geleden, toen onderzoeker David Keith speculeerde over toepassingen van fotoforetische deeltjes, onder meer voor klimaatonderzoek. Dankzij recente doorbraken in de ontwikkeling van nanostructuren waren Schafer, Keith en materiaalexpert Joost Vlassak in staat om het concept om te zetten in realiteit. Ze bouwden membranen van enkele centimeters groot, bestaande uit keramisch aluminiumoxide met een dunne chroomlaag aan de onderzijde om zonlicht te absorberen.

Een illustratie van de zwevende structuren. Bron: Ben Schafer en Jong-Hyoung Kim

In een speciaal ontworpen lagedrukkamer testten ze het gedrag van de nieuwbakken structuren onder mesosferische omstandigheden. Bij een luchtdruk die overeenkomt met 60 kilometer hoogte en bij slechts 55 procent van de normale zonlichtintensiteit, bleef een 1 centimeter brede structuur stabiel zweven. “Het is de eerste keer dat iemand zulke grote fotoforetische structuren heeft gebouwd en daadwerkelijk heeft laten vliegen in omstandigheden die de bovenste atmosfeer nabootsen”, aldus een enthousiaste Keith. “We hebben een totaal nieuw soort apparaat gebouwd: een passieve structuur die puur op zonlicht werkt en ideaal is om de bovenste lagen van de atmosfeer te onderzoeken. Wie weet gaan we er later mee vliegen op Mars of andere planeten.”

Nieuwe mogelijkheden
De potentie van deze technologie is groot. Met lichtgewicht sensoren aan boord zouden de zwevers gegevens kunnen verzamelen over windsnelheid, luchtdruk en temperatuur in de mesosfeer. Dit is cruciale informatie voor nauwkeurigere weersvoorspellingen en klimaatmodellen. Daarnaast kan de technologie dienen als platform voor communicatienetwerken. Een zwerm van deze zonlichtzwevers, uitgerust met antennes, kan een ‘zwevende’ communicatielaag vormen. Door hun relatief lage hoogte kunnen ze data sneller doorgeven dan de huidige satellieten, wat nuttig is bij rampenbestrijding of in defensietoepassingen. En dan is er nog onze buurplaneet Mars. Zijn dunne atmosfeer lijkt sterk op onze mesosfeer. Dat maakt deze technologie een kansrijke kandidaat voor toekomstige verkennings- en communicatiemissies daar.

Wilde Westen
Het onderzoeksteam werkt nu aan de bouw van communicatiemodules, zodat de zwevers tijdens hun vlucht in real-time data kunnen verzenden. Dat zou een doorbraak betekenen in het bestuderen van de mesosfeer en in het gebruik van passief aangedreven luchtplatforms in moeilijk bereikbare omgevingen. “Wat dit onderzoek zo leuk maakt, is dat we nu de technologie hebben om een volledig onontgonnen deel van de atmosfeer te verkennen”, zegt Schafer. “Tot nu toe kon er niets duurzaam vliegen in dat gebied. Het is een beetje het Wilde Westen van de toegepaste natuurkunde.”