Katera bi bila najboljša metoda za raziskovanje planetarnih atmosfer, na primer na Marsu, Veneri ali celo na Zemlji? Ena skupina raziskovalcev razvija drobna, lebdeča letala iz 'nanokartona', ki bi lahko lebdela v nebesih vesoljcev. Leteli bi kot prah, ki lebdi v žarkih sončne svetlobe – vendar inteligentno in z namenom.
'To je razburljivo, ker je v bistvu nov mehanizem letenja,' je dejal Igor Bargatin z univerze v Pensilvaniji. 'Govorimo o strukturi, veliki pol palca, ki lahko leti naokoli brez gibljivih delov.'
Bargatin že nekaj let vodi ekipe študentskih inženirjev pri razvoju koncepta nanokartona. To je material, ki je tanek kot nekaj pramenov DNK in tehta manj kot tisočinko grama, vendar je dovolj trd, da se upira padcu.
Nanokarton je izdelan iz filma aluminijevega oksida z debelino več deset nanometrov. Da bi jo zgradili, so raziskovalci ustvarili sendvič strukturo, podobno valovitemu kartonu, ki tvori votlo ploščo z višino več deset mikronov.
Ker je material ultra lahek, ga lahko dvigne neverjetno majhna količina energije – samo žarek svetlobe. Ko se ena stran plošče segreje, temperaturna razlika potisne krožeči zrak skozi votlo strukturo plošče in jo odrine od tal.
Bargatin je dejal, da ga je navdihnil Crookesov radiometer, preprost instrument, ki obstaja že več kot stoletje. Poznan tudi kot svetlobni mlin, je instrument v bistvu steklena žarnica pod delnim vakuumom s papirnatimi lopaticami, ki so na eni strani črne in bele na drugi.
Ko je radiometer izpostavljen sončni svetlobi, črne stranice lopatic absorbirajo del energije in se segrejejo.
Vizualizacija letakov »nanokarton«. Zasluge: Bargatin Group, Penn Engineering)
'Takrat se zgodi, da molekule zraka zadenejo črno stran, absorbirajo del toplote in nato odidejo z večjo hitrostjo, kot je prišla,' je pojasnil Bargatin. v članku z univerze v Pensilvaniji . »V fiziki vemo, da mora pri vsaki spremembi zagona ali hitrosti obstajati odboj, mora biti reakcijska sila. Odboj potisne močneje na bolj vroče črne strani kot na hladnejše bele strani lopatic in lahko povzroči, da se Crookesov radiometer precej hitro zavrti, če ga postavite na neposredno sončno svetlobo.
Toda do zdaj nihče ni ugotovil, kako uporabiti te sile za premagovanje gravitacije in lopatice levitirati. Vnesite nanokarton. Ker je tako lahek, lahko toplotne sile, ki so premajhne za dvig papirja, dejansko dvignejo kose nanokartona v zrak.
Bargatin in njegova ekipa objavil članek v reviji Nature on nanocardboard leta 2018, in od takrat izpopolnjujejo svoje tehnike ter odkrivajo aplikacije za to.
Nanokarton je votla ploščasta lupina iz aluminijevega oksida z vzorčnimi kanali v obliki rež. Ti kanali delujejo kot valoviti papir v vsakodnevnem kartonu in dajejo nanostrukturi izjemno togost in robustnost. Zasluge: University of Pennsylvania/Bargatin Group.
'Najbolj vznemirljivo je razmišljati o tem, kako daleč ga lahko potisnemo glede na tovor, in sanjati, kaj bi še lahko naredili,' je dejal Bargatin v izjava za javnost. Uporaba svetlobe, pa naj bo to sončna svetloba ali laserski žarek, za napajanje leteče naprave odpira vrata širokemu razponu potencialnih uporab.
Prvotno so si predstavljali operacijo iskanja in reševanja z uporabo 'mikroletalcev', ki bi lahko šli v in iz drobnih lukenj v ruševinah, da bi pomagali najti ujete ljudi, ne da bi ogrozili prve posredovalce. Ali majhen robot s kamero, ki bi lahko pregledal reaktivni motor glede obrabe in drugih težav, ne da bi motor razstavil.
Toda nova študija, objavljena v začetku tega leta v reviji Advanced Materials ponese nanokarton v druge svetove, kar kaže, da bi letaki lahko dejansko prenašali koristne tovore, desetkrat večjo od njihove teže v okolju, podobnem Marsu, ki ima relativno tanko atmosfero in šibkejšo gravitacijo. Majhno letalo, ki ne potrebuje rotorjev ali propelerjev, bi lahko predstavljalo misijo za prihodnji rover, podobno kot Helikopter Mars je del Misija Roverja Perseverance.
'Helikopter Mars je zelo razburljiv, vendar je še vedno en sam, zapleten stroj,' je dejal Bargatin. »Če gre kaj narobe, je vašega eksperimenta konec, saj tega ni mogoče popraviti. Predlagamo popolnoma drugačen pristop, ki ne da vseh vaših jajc v eno košaro. Poleg tega, da nosijo senzorje, bi lahko naši letaki preprosto pristali in se nanje pasivno prilepila zrna prahu ali peska, nato pa jih prenesli nazaj v rover, tako da mu ni treba potovati tako daleč.'
Prosto plavajoča 100 nm plošča v Bargatinovem laboratoriju.
Raziskovalci še naprej izpopolnjujejo svoje gradbene tehnike in še naprej preizkušajo material v nizkotlačnih preskusnih komorah, da bi preučili sposobnost nanokartona, da lebdi, ko nanj sije svetla svetloba, pri čemer preizkušajo, kako se odziva tako na sončno svetlobo kot na fokusirane laserje.
'Najbolj kul je delati nekaj, kar počne nihče drug,' pravi Cortes. 'Ustvariti nekaj tega novega, kar bi nas lahko dejansko premaknilo naprej, tehnološko, je res zanimivo.'