Ben je geïnteresseerd in de wereld van wetenschap & technologie en wil je hier graag meer over lezen? Word dan lid van KIJK!
Wetenschappers hebben extreem lichte apparaten gemaakt die kunnen zweven dankzij een merkwaardig natuurkundig fenomeen.
Tussen de 50 en 100 kilometer boven het aardoppervlak ligt een deel van de atmosfeer dat nog weinig is onderzocht. De lucht in deze zogenoemde mesosfeer is te ijl om er met vliegtuigen en weerballonnen doorheen te vliegen, maar niet ijl genoeg om satellieten in een baan om de aarde te houden. Deze laag is daardoor erg moeilijk te bestuderen, terwijl een beter begrip ervan onze weersvoorspellingen en klimaatmodellen zou kunnen verbeteren.
Onderzoekers stellen in het vakblad Nature nu een nieuwe manier voor om de mesosfeer te bestuderen: extreem lichte apparaten die kunnen zweven door alleen gebruik te maken van zonlicht.
Lees ook:
- De maan heeft een mysterieuze atmosfeer: zo is die ontstaan
- Zwaarste element ooit in atmosfeer exoplaneten ontdekt
Fotoforese
“We bestuderen een vreemd natuurkundig verschijnsel, dat fotoforese wordt genoemd. Dit fenomeen kan zeer lichte voorwerpen laten zweven als je er licht op schijnt”, zegt hoofdonderzoeker Ben Schafer in een persbericht.
“Normaal is fotoforese zo zwak in verhouding tot de grootte en het gewicht van een voorwerp, dat we het meestal niet eens opmerken”, zegt Schafer. “Het is ons echter gelukt om apparaten te maken die zo lichtgewicht zijn dat de fotoforetische kracht groter is dan hun gewicht, waardoor ze zweven.”
Fotoforese treedt op wanneer een deeltje of object aan de ene kant warmer is dan aan de andere. Gasmoleculen die tegen het deeltje aan botsen, worden door de warme kant iets krachtiger teruggekaatst dan de koude kant. Door deze ongelijke botsingen wordt het deeltje richting de koude kant geduwd.
Als een raket
De apparaten van de onderzoekers bestaan uit twee extreem dunne lagen aluminiumoxide met gaten erin. De gaten van de bovenste en onderste laag zijn verbonden via holle buizen. De onderste laag heeft een coating van chroom, waardoor die meer warmte absorbeert dan de bovenste laag. Dit temperatuurverschil veroorzaakt fotoforese.
Doordat luchtmoleculen harder van de warme onderkant afbotsen, werkt er een kracht omhoog. De holle buizen versterken dat effect. Het temperatuurverschil veroorzaakt namelijk een mini-luchtdrukverschil, waardoor gas via de buizen van de koude naar de warme kant stroomt en het apparaat omhoog duwt – dit kun je vergelijken met hoe een gasstraal een raket omhoog duwt.
Betere weersvoorspellingen
Het is al eerder gelukt om zulke apparaten te maken, maar die waren altijd slechts enkele micrometers groot. Bovendien waren er krachtige lasers nodig om genoeg fotoforetische kracht te genereren. Tests in het lab en computermodellen suggereren dat het ontwerp van de huidige onderzoekers zou kunnen werken tot enkele centimeters groot, en de apparaten hebben daarnaast genoeg aan de kracht van de zon.
Het team gaat nu kijken of het lukt om lichte instrumenten aan de zweefapparaten te hangen. Sensoren zouden bijvoorbeeld dingen kunnen meten zoals de windsnelheid, luchtdruk en temperatuur in een regio van de atmosfeer die lange tijd een blinde vlek is geweest voor wetenschappers. Zulke gegevens zouden weersvoorspellingen en klimaatmodellen kunnen verbeteren.
Mars verkennen
De onderzoekers denken dat het ook mogelijk is om de apparaten te gebruiken als een soort alternatief voor de Starlink-satellieten van Elon Musk. De internetverbinding via deze apparaten zou bovendien minder vertraging hebben doordat ze dichter bij het aardoppervlak zijn dan satellieten.
Het team denkt zelfs dat de zwevers gebruikt zouden kunnen worden om de atmosfeer van andere planeten, zoals Mars, te bestuderen. Maar voor het zover is, moeten de onderzoekers hun uitvinding eerst gaan testen in onze eigen mesosfeer.
Bronnen: Nature, Harvard via EurekAlert!
Beeld: Schafer et al. Nature (2025)