Was wäre die beste Methode, um planetarische Atmosphären wie auf dem Mars, der Venus oder sogar der Erde zu erkunden? Eine Gruppe von Forschern entwickelt winzige, schwebende „Nanokarton“-Flugzeuge, die in außerirdischen Himmeln schweben könnten. Sie würden fliegen wie Staub, der in Sonnenstrahlen schwebt – aber intelligent und mit einem Ziel.
„Es ist aufregend, weil es im Wesentlichen ein neuer Flugmechanismus ist“, sagte Igor Bargatin von der University of Pennsylvania. „Wir sprechen von einer Struktur von einem halben Zoll Größe, die ohne bewegliche Teile herumfliegen kann.“
Bargatin leitet seit mehreren Jahren Teams von studentischen Ingenieuren bei der Entwicklung des Konzepts von Nanokarton. Dies ist ein Material, das so dünn ist wie ein paar DNA-Stränge und weniger als ein Tausendstel Gramm wiegt, aber steif genug, um einem Fallen zu widerstehen.
Nanokarton besteht aus einem Aluminiumoxidfilm mit einer Dicke von mehreren zehn Nanometern. Um es zu bauen, erstellten die Forscher eine Sandwichstruktur, ähnlich einer Wellpappe, die eine hohle Platte mit einer Höhe von mehreren zehn Mikrometern bildete.
Da das Material ultraleicht ist, kann eine unglaublich kleine Energiemenge – nur ein Lichtstrahl – es aufsteigen lassen. Wenn sich eine Seite der Platte erwärmt, drückt die Temperaturdifferenz die zirkulierende Luft durch die hohle Struktur der Platte und schleudert sie vom Boden.
Bargatin sagte, er sei von einem Crookes-Radiometer inspiriert worden, einem einfachen Instrument, das es seit mehr als einem Jahrhundert gibt. Das Instrument, auch Lichtmühle genannt, ist im Wesentlichen ein Glaskolben unter Unterdruck mit Papierflügeln, die auf einer Seite schwarz und auf der anderen weiß sind.
Wenn das Radiometer Sonnenlicht ausgesetzt ist, absorbieren die schwarzen Seiten der Flügel einen Teil der Energie und erwärmen sich.
Eine Visualisierung der „Nanocardboard“-Flyer. Bildnachweis: Bargatin Group, Penn Engineering)
„Was dann passiert, ist, dass die Luftmoleküle auf die schwarze Seite treffen, einen Teil der Wärme absorbieren und dann mit einer höheren Geschwindigkeit verlassen, als sie hereingekommen ist“, erklärte Bargatin in einem Artikel der University of Pennsylvania . „In der Physik wissen wir, dass es bei jeder Impuls- oder Geschwindigkeitsänderung einen Rückstoß geben muss, es muss eine Reaktionskraft geben. Der Rückstoß drückt stärker auf die heißeren schwarzen Seiten als die kühleren weißen Seiten der Leitschaufeln und kann das Crookes-Radiometer ziemlich schnell rotieren lassen, wenn Sie es direktem Sonnenlicht aussetzen.“
Aber bis jetzt hatte niemand herausgefunden, wie man diese Kräfte nutzen könnte, um die Schwerkraft zu überwinden und die Flügel zum Schweben zu bringen. Geben Sie Nanokarton ein. Da es so leicht ist, können thermische Kräfte, die zu klein sind, um Papier anzuheben, die Nanokartonstücke tatsächlich in die Luft heben.
Bargatin und sein Team veröffentlichte 2018 einen Artikel in der Zeitschrift Nature über Nanokarton, und verfeinern seitdem ihre Techniken und finden Anwendungen dafür.
Nanokarton ist eine hohle, plattenförmige Hülle aus Aluminiumoxid, die mit schlitzförmigen Kanälen gemustert ist. Diese Kanäle funktionieren wie das Wellpapier in alltäglichen Kartons und verleihen der Nanostruktur eine beispiellose Steifigkeit und Robustheit. Kredit: University of Pennsylvania/Bargatin-Gruppe.
'Das Spannendste daran ist, darüber nachzudenken, wie weit wir es in Bezug auf die Nutzlasten treiben können, und davon zu träumen, was wir noch tun könnten', sagte Bargatin in a Pressemitteilung. Die Verwendung von Licht, sei es Sonnenlicht oder ein Laserstrahl, um ein Fluggerät anzutreiben, öffnet die Tür zu einer Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten.
Ursprünglich stellten sie sich eine Such- und Rettungsaktion mit „Mikroflyern“ vor, die in winzige Löcher in den Trümmern hinein- und wieder herausflitzen könnten, um eingeschlossene Personen zu finden, ohne Ersthelfer zu gefährden. Oder ein winziger Roboter mit einer Kamera, der ein Düsentriebwerk auf Verschleiß und andere Probleme untersuchen könnte, ohne das Triebwerk zerlegen zu müssen.
Aber eine neue Studie, die Anfang dieses Jahres in der Zeitschrift Advanced Materials veröffentlicht wurde führt den Nanokarton in andere Welten und zeigt, dass die Flieger in einer marsähnlichen Umgebung mit einer relativ dünnen Atmosphäre und einer schwächeren Schwerkraft tatsächlich Nutzlasten tragen könnten, die das Zehnfache ihres Gewichts betragen. Das winzige Flugzeug, das keine Rotoren oder Propeller benötigt, könnte eine Begleitmission für einen zukünftigen Rover sein, ähnlich wie der Mars-Hubschrauber ist Teil von Ausdauer Rover-Mission.
'Der Mars-Helikopter ist sehr aufregend, aber es ist immer noch eine einzelne, komplizierte Maschine', sagte Bargatin. „Wenn etwas schief geht, ist Ihr Experiment beendet, da es keine Möglichkeit gibt, es zu reparieren. Wir schlagen einen ganz anderen Ansatz vor, bei dem nicht alle Eier in einen Korb gelegt werden. Unsere Flyer können nicht nur Sensoren tragen, sondern auch einfach landen und Staub- oder Sandkörner passiv daran haften lassen und sie dann zurück zum Rover transportieren, damit dieser nicht so weit reisen muss.“
Frei schwebende 100-nm-Platte in Bargatins Labor.
Die Forscher verfeinern ihre Bautechniken weiter und testen das Material weiterhin in Niederdruck-Testkammern, um die Fähigkeit von Nanokarton zu untersuchen, bei hellem Licht zu schweben, und testen, wie es sowohl auf Sonnenlicht als auch auf fokussierte Laser reagiert.
„Das Coolste daran ist, etwas zu tun, was sonst niemand tut“, sagt Cortes. „Es ist wirklich interessant, etwas so Neues zu schaffen, das uns technologisch voranbringen könnte.“
