2025-10-27 11:30:13
【导(dǎo)语(yǔ)】地(de)球(qiú)中(zhōng)间(jiān)层(céng)因(yīn)位(wèi)置(zhì)特(tè)殊(shū)，成(chéng)为(wèi)大(dà)气(qì)“空(kōng)白(bái)地(de)带(dài)”。今(jīn)年(nián)8月(yuè)《自(zì)然(rán)》杂(zá)志(zhì)研(yán)究(jiū)带(dài)来(lái)探(tàn)索(suǒ)新(xīn)装(zhuāng)置(zhì)——一(yī)种(zhǒng)仅(jǐn)靠(kào)阳(yáng)光(guāng)就(jiù)能(néng)悬浮的轻质飞行结构。其原理源于光泳，研究团队通过纳米级技术实现厘米级装置在自然光下悬浮，未来在气候科学、通信甚至火星探测等领域潜力巨大。
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(mì)的(de)“空(kōng)白(bái)地(de)带(dài)”。
中(zhōng)间(jiān)层(céng)，也(yě)常(cháng)被(bèi)称(chēng)为(wèi)“无(wú)知(zhī)层(céng)”。探(tàn)空(kōng)火(huǒ)箭(jiàn)可(kě)以(yǐ)短(duǎn)暂(zàn)进(jìn)去(qù)中(zhōng)间(jiān)层(céng)，并(bìng)携(xié)带(dài)仪(yí)器(qì)进(jìn)行(xíng)原(yuán)位(wèi)测(cè)量(liàng)，但(dàn)这(zhè)种(zhǒng)观(guān)测(cè)通(tōng)常(cháng)只(zhǐ)能(néng)持(chí)续(xù)几(jǐ)分(fēn)钟(zhōng)。（图(tú)：Ben Schafer & Jong-hyoung Kim）
今(jīn)年(nián)8月(yuè)，《自(zì)然(rán)》杂(zá)志(zhì)刊(kān)登(dēng)的(de)一(yī)项(xiàng)研(yán)究(jiū)带(dài)来(lái)了(le)探(tàn)索(suǒ)中(zhōng)间(jiān)层(céng)的(de)全新(xīn)飞(fēi)行(xíng)装(zhuāng)置(zhì)：研(yán)究(jiū)人(rén)员(yuán)制(zhì)造(zào)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(yī)个(gè)密(mì)封(fēng)的(de)玻(bō)璃(lí)灯(dēng)泡(pào)和一组安(ān)装(zhuāng)在(zài)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)为反射光的白面获得的动量更大。
但事实上，这种旋转源于装置与周围气体之间的热传递。在辐射计内，气体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(zhuàng)到(dào)它(tā)的气体分子反弹得更快、获得更多动量。于是，这个动量差会让气体在叶片周围形成一个从冷面流向热面的气流，这种流动产生的力推动了叶片旋转。
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(zhì)由(yóu)两(liǎng)片(piàn)带(dài)孔(kǒng)的(de)氧(yǎng)化(huà)铝(lǚ)薄(báo)片(piàn)组(zǔ)成(chéng)，中(zhōng)间(jiān)以(yǐ)稀(xī)疏(shū)分(fēn)布(bù)的(de)垂(chuí)直(zhí)支(zhī)撑(chēng)相(xiāng)连(lián)，厚(hòu)度(dù)仅(jǐn)为(wèi)25纳(nà)米(mǐ)。这(zhè)样(yàng)的(de)设(shè)计(jì)既(jì)能(néng)最(zuì)大(dà)限(xiàn)度(dù)减(jiǎn)少(shǎo)上(shàng)下(xià)薄(báo)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(lí)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：一个半径约3厘米、可携带10毫克载荷的装置，有望在距地面75千米的高空飞行。
未来，若要让这种飞行器不仅能悬浮在中间层，还能承担实际任务，这些超轻结构仍需进一步放大，并具备携带更重载荷的能力。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(cǐ)外(wài)，未(wèi)来(lái)还(hái)可(kě)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 Starlink），但因距离地面更近，信号延迟更小。
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空，向地球传回关于它的信息。
本文为·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
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