僅靠陽光驅動的飛行器，可以探索地球的“飛行禁區”

在距離地球表面50至100千米之間，分布著一層幾乎未被深入研究的大氣——中間層。它對飛機和氣象氣球來說過于高遠，對衛星來說又過于低矮，現有技術幾乎無法對其進行長期監測。然而，深入了解這一層大氣有助于提升天氣預報和氣候模型的準確性。為了填補這一“觀測缺口”，科學家一直在尋找突破這一高度限制的新途徑。

在一項新發表于《自然》雜志的研究中，一個研究團隊提出了一種全新的解決方案：他們制造了一種依靠陽光驅動的輕質飛行結構，可以在這一“禁區”實現長期漂浮。

從原理到設計

這項突破的靈感可以追溯到150多年前。英國化學家威廉·克魯克斯（William Crookes）曾制造出一種在陽光照射下會旋轉的裝置——光能輻射計。光能輻射計背后隱藏著一種特殊的物理機制——光泳，即由光引發的稀薄氣體流動。

簡單來說，光泳指的是，當氣體分子撞擊物體時，如果物體的某一側因吸收光而溫度更高，因而分子從這側反彈時獲得的動量比另一側更大，從而在稀薄氣體中產生一個持續升力的現象。這種效應在地面幾乎察覺不到，但在中間層那樣低壓、低密度的環境中格外顯著。

長期以來，科學家嘗試利用光泳效應讓物體懸浮，但這些裝置要么僅能在微觀尺度上實現，要么需要強烈的人造光源。在這項研究中，團隊借鑒光能輻射計的原理，通過納米工程制造出一種厘米級的飛行裝置，能在自然陽光強度下懸浮。

這種裝置由兩片帶孔的陶瓷氧化鋁薄片構成，并由稀疏分布的氧化鋁“紐帶”相連。這種設計既能最大限度減少上下薄片之間的熱傳導，又能保證孔洞中的氣流產生足夠的升力。

飛行裝置示意圖。（圖/Schafer et al. / Nature）

為增強光吸收，研究人員在底部薄片鍍上了一層鉻。如此一來，當陽光照射時，底部的升溫速度會快于頂部，形成溫差。這種溫差導致與底部薄片碰撞的空氣分子，在反彈時獲得的動量大于與頂部薄片碰撞的分子，從而在材料內部形成光泳空氣流，產生向上的升力。

飛行裝置周圍的氣流示意圖。（圖/Ben Schafer & Jong-hyoung Kim）

在制作出這種厘米級的結構后，研究團隊在實驗室的低壓艙中直接測量了這種裝置所承受的光泳升力，并將實驗結果與高層大氣條件下的理論預測進行對比。一個關鍵的實驗結果顯示：在氣壓為26.7帕、光照強度僅為太陽55%的條件下，一個寬1厘米的裝置可實現懸浮。這一氣壓對應于地球表面上空約60千米的高度——恰好位于中間層。

真實結構在光照下飛行的延時攝影。（圖/Ben Schafer, Jong-hyoung Kim & Gyeong-Seok Hwang）

應用前景

長期以來，中間層被視為天然的“飛行禁區”——這里的空氣稀薄到不足以支撐飛機或氣球，又稠密到軌道衛星無法穿行。探空火箭雖能短暫進入并攜帶測量儀器，但測量時間通常僅能維持幾分鐘；衛星與地面雷達雖能提供長期遙感數據，但對中間層的覆蓋正在下降，觀測缺口在不斷擴大。

如果能將這些精密的超輕結構能被放大到可搭載輕型傳感器，它們就有望在中間層實現長期原位觀測，采集風速、氣壓、溫度等關鍵數據。這類數據對校準氣候模型至關重要，而氣候模型正是天氣預報和氣候變化預測的基礎。可以說，這項技術讓我們得以探索一個此前完全無法持續飛行的高空大氣區。

設備的潛在應用場景示意圖。（圖/Ben Schafer & Jong-hyoung Kim）

除此之外，這項技術還可應用于國防與應急通信。例如，部署一組此類飛行器，可形成漂浮的天線陣列，其數據傳輸能力可媲美低軌衛星（如 Starlink），但因離地更近而延遲更少。由于地球高層大氣與火星稀薄大氣的物理特性相似，這項技術在行星探索與外星通信中同樣具備潛力。

#參考來源：

https://seas.harvard.edu/news/2025/08/new-window-earths-upper-atmosphere

https://www.nature.com/articles/d41586-025-02355-7

https://www.sciencenews.org/article/sunlight-lightweight-aircraft-mesosphere

#圖片來源：

封面圖&首圖：Ben Schafer & Jong-hyoung Kim