无需任何燃料，它靠这个物理原理，漂浮在大气的“未知层”

新型圆盘飞行器的艺术概念图

撰文 | 帕亚尔·达尔（Payal Dhar） 

翻译 | 张宇哲

研究人员设计了一种微型圆盘飞行器，它们像羽毛一样轻，能够在地球中间层大气，或是火星的稀薄大气中自由飘荡。理论上说，这些飞行器甚至还能搭载一些设备。地球的中间层大气通常距离地表50~85千米——对飞机和气象气球来说太高了，而对卫星来说又太低，让这里成了地球上研究得最少的区域之一。

因此，中间层有时也被称为“未知层”（ignorosphere）。而研究人员新设计的这款“光动力”飞行器或许可以搭载传感器探测这片未知区域。

这些样机直径只有几厘米，由两层薄薄的带孔氧化铝薄膜组成，两层膜之间由极细的小梁支撑。整个圆盘飞行器借助一种被称为“光泳”的力悬浮在大气中：在极低的气压下，光会激发微小粒子的运动。在最近发表于《自然》（Nature）的研究中，研究人员在实验室里模拟了中间层大气的气压和光照条件，证明该设备能够在没有其他能源驱动的情况下，自发悬浮在大气中。

在物体受光照加热的一面，气体分子反弹的力度会比较冷的一侧更强，从而产生气流。基于此，研究团队在圆盘底部镀了铬，使底部可以吸收更多阳光而升温。如此一来，从下表面反弹的气体分子具有更高的动量，就产生了升力——这个原理与火箭向下喷气获得推力类似。

圆盘表面的孔洞经过了精细设计，利用热流逸（thermal transpiration，气体在温度梯度作用下通过多孔介质或毛细管流动的现象）原理促使空气从较冷区域流向较热区域，进一步增强了这种推力。

“空气不仅会在圆盘的表面流动，它也会穿过整个结构，形成微型的喷流，”论文的第一作者、材料科学家本杰明·C.谢弗（Benjamin C. Schafer）解释道。这一改进带来的大幅提升，让新款飞行器的性能超越了此前其他研究团队设计的光泳飞行器——此前的飞行器通常需要数倍于太阳光的光照强度才能工作。

19世纪70年代，英国物理学家威廉·克鲁克斯（William Crookes）首次发现了光泳现象。他设计了后来广为人知的克鲁克斯辐射计，这款仪器更像一个玩具，在光照下金属叶片能自发旋转。不过，由于光泳现象只会在气压极低的条件下出现，并且产生的力极为微弱，因此在很长一段时间里，光泳现象只被当成一种余兴节目。直到二十多年前，谢弗谈到，随着纳米制造技术的发展，研究人员终于能够制造出足够轻的、能够利用光泳现象产生的微小作用力的装置。

谢弗和同事用激光模拟阳光，在一个低压腔中测试了厘米级的新样机，并成功借助光泳的力保持悬浮。他们还设计了一个6厘米直径的版本，大一号的圆盘能携带10毫克的有效载荷，理论上足够负载一套小型通讯系统，包括射频天线、太阳能电池和集成电路。根据计算，在大约75千米高的稀薄大气中，该圆盘能够在白天保持悬浮；而在极地的夏季，它甚至能在日落后利用地表发出的红外辐射，继续凭借光泳力在中间层大气持续飞行。

太阳物理学家露丝·利伯曼（Ruth Lieberman）也曾尝试设计过光泳驱动设备，她称赞这是一项杰出的设计：“只要有阳光，这些装置就能持续工作。而且制造成本也很低，如果能突破原型阶段，实现规模化制造，这将会成为一种极具潜力的低成本大气观测方案，而且可以做到时间和空间的广泛覆盖。”

未来，谢弗希望不仅能在地球中间层投放大量圆盘飞行器，还能在火星气压同样很低的稀薄大气中收集数据，或提供中继通信。他目前是一家公司的联合创始人，致力于升级和改进这款探测器，希望尽早实现无载荷试飞。

不过，如果想制造更大的探测器，使其携带能在中间层或更高层大气中工作的有效载荷，是一项更加艰巨的任务，或许需要5到10年。谢弗坚信“这是可行的，只是需要付出大量时间和努力”。

文章来源于《环球科学》2026年1月刊的“前沿”栏目