Les dispositifs d’auto-lof propulsés par la lumière du soleil ont été testés pour la première fois dans des conditions proches de Vacuum semblables à celles de la haute atmosphère de la Terre, ouvrant la voie à une révolution dans la science atmosphérique.
Les minuscules membranes légères – qui sont faites d’oxyde d’aluminium et d’une couche de chrome – profitent d’un phénomène connu sous le nom de photophorèse, qui se produit lorsqu’un côté d’une tranche de matériau mince devient plus chaud que l’autre. Alors que les molécules de gaz rebondissent du côté plus chaud, ils poussent la membrane vers le haut. Cependant, l’effet est très faible et ne peut donc être observé que dans des environnements à très basse pression, tels que ceux proches du bord de l’espace.
Dans la récente expérience, décrite dans un article publié le 13 août dans la revue Nature, les chercheurs ont effectué des taches de 0,4 pouce de large (1 centimètre) dans une chambre à vide lorsqu’ils sont exposés à une lumière environ 55% aussi intenses que la lumière naturelle du soleil.
« C’est un grand résultat montrant que cela fonctionnerait réellement dans les mêmes conditions que vous avez dans la haute atmosphère », a déclaré Ben Schafer, auteur principal du journal et chercheur à la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (Seas).
« Nous parlons (de A) de la région de l’atmosphère qui s’appelle parfois l’ignorosphère, car rien ne puisse voler là-bas. Pouvoir envoyer quelque chose là-bas nous permettrait de prendre des données beaucoup plus précises que nous le pouvons actuellement », a-t-il déclaré à Space.com.
L’ignorosphère comprend la mésosphère – la couche de l’atmosphère terrestre à des altitudes entre 30 et 53 miles (50 à 85 kilomètres) – plus une section de la thermosphère jusqu’à une altitude de 100 miles (160 km). L’ignorosphère est trop élevée pour que les avions puissent atteindre, mais trop bas pour les instruments à bord des satellites à terre basse-terrasse à échantillonner. Les capteurs placés sur des fusées au son font des mesures occasionnelles de la région, mais la plupart des processus qui se déroulent là-bas sont peu compris.
L’ignorosphère forme une frontière entre le linceul gazeux de la Terre et l’espace. Lorsque les éjections de masse coronale – de vastes expulsions de plasma chargé du soleil – ont frappé la Terre, ils déposent la majeure partie de leur énergie dans l’ignorosphère. Des lueur aurorales se produisent dans l’ignorosphère, tout comme les échanges énergiques qui conduisent à des tempêtes géomagnétiques qui peuvent éliminer les réseaux électriques et jeter les satellites de leurs orbites. Ces altitudes inexplorées sont également l’endroit où les satellites brûlent lors de leurs rentrées et où la pollution atmosphérique produite lors de leur incinération s’accumule.
« L’obtention de données précises de cette région sur les vents, les températures, les pressions, etc. augmenterait vraiment la précision des modèles de climat mondiaux existants », a déclaré Schafer. « Cela comblerait cette lacune que nous avons. »
Shafer et sa collègue Angela Feldhaus ont tourné une entreprise de Harvard Seas appelée Rarefied Technologies. Le but de la startup est de mener des expériences atmosphériques réalistes avec de tels dispositifs dans l’espoir de les commercialiser.
Pour soulever des capteurs miniatures et des antennes dans l’ignorosphère, les membranes devraient être un peu plus grandes, d’environ 2,4 pouces (6 cm) de large. « Ce serait un disque qui pourrait se loft environ 10 milligrammes (0,0004 once) dans l’espace proche », a déclaré Schafer.
Les appareils seraient libérés d’un ballon stratosphérique à environ 30 miles (50 km) au-dessus de la Terre. De là, ils se promenaient à des altitudes allant jusqu’à 60 miles (100 km), où ils resteraient pendant la journée. La nuit, les appareils s’enfonçaient dans l’atmosphère, mais s’ils étaient assez légers, ne retomberaient pas sur Terre et remonteraient après le lever du soleil, a expliqué Schafer.
Les chercheurs veulent se concentrer sur l’amélioration du matériau et de sa structure pour diminuer son poids, ce qui rendrait les appareils plus grands possibles.
S’appuyer sur des idées antérieures
La photophorèse a été découverte au XIXe siècle mais est restée principalement négligée jusqu’à récemment. Les progrès de la science des matériaux et des technologies de nanofabrication au cours des deux dernières décennies ont finalement permis de contempler ses applications pratiques.
Schafer et ses collègues ont été inspirés par un article théorique de David Keith, alors professeur de physique appliquée à Seas et maintenant à l’Université de Chicago. Keith a proposé que les membranes réfléchissantes propulsées par la photophorèse pourraient être utilisées comme intervention de géo-ingénierie pour réduire la température de la Terre si le monde ne contenait pas le changement climatique en réduisant ses émissions de carbone.
Keith a supervisé le travail de Schafer jusqu’en 2023.
« C’est la première fois que n’importe qui montre que vous pouvez construire des structures photophorétiques plus grandes et les faire voler dans l’atmosphère », a déclaré Keith dans un communiqué. « Il ouvre une toute nouvelle classe d’appareil: celle passive, alimentée par la lumière du soleil et de manière unique pour explorer notre haute atmosphère. »
Schafer pense que la technologie pourrait trouver de nombreuses utilisations. Cela pourrait aider à étudier l’atmosphère mince de Mars ou même à rivaliser avec les mégaconstellations du haut débit satellite de SpaceX.
« Si vous deviez mettre de petits packages de communication à bord de ces choses et les avoir mis dans la mésosphère, vous pourriez en fait rivaliser avec les débits de données des constellations à terre basse », a déclaré Schafer.
Il a admis que les appareils devraient devenir un peu plus légers et plus grands pour accueillir des charges utiles de communication et des unités de navigation de grande envergure pour maintenir une position stable au-dessus des taches fixes sur Terre.
