这些微型飞机完全由太阳热量驱动

随着一道光的照射，薄如晶片的金属“降落伞”悬浮在空中。这些奇特的发明每个都比一角硬币还小，不需要太阳能电池板、螺旋桨或发动机就能飞行。未来，这些微型飞行器群可能会在太空边缘甚至更远的地方探索我们的大气层。

这片空气薄层被称为中间层，海拔约50至80公里，连接着地球大气层和太空。一些研究暗示，该层是气候变化的“矿工金丝雀”，因为在这个极寒地区，云层的形成对二氧化碳、温度和水蒸气的变化高度敏感。对大气层的进一步研究可能会带来宝贵的见解，但由于其海拔过高，气球和飞机无法到达，而卫星又太低，因此它被戏称为“无知层”。

《自然》杂志概述的这种轻如羽毛的设备理论上可以将微型监测器送至中间层。未来，它们甚至可能以相对较低的成本，仅靠太阳热量驱动，用于分析火星大气。

“如果这项技术的全部潜力能够得到充分发挥，那么在未来十年内，成群或成阵列的此类……飞行器就能收集到中间层温度、气压、化学成分和风力动态的高分辨率数据，”宾夕法尼亚大学的伊戈尔·巴加廷（Igor Bargatin）写道。他此前曾倡导过类似的技术，但并未参与这项研究。“这项最初只是维多利亚时代一项奇观的发明，可能很快就会成为探索大气中最难以捉摸区域的关键工具。”

哈佛大学的研究作者本·谢弗告诉《自然》杂志：“你不会真的相信，直到你亲眼看到它。”

一条充满乐趣的道路

目前大多数太空技术都使用太阳能电池板供电。但这些电池板很重，而且运送到太空的成本很高。一种替代方案最初是150多年前发明的一种类似玩具的装置，可以直接收集太阳的热量。

这个玩具本身看起来很简单。想象一下一个四叶风车——就像孩子们吹着风就能转起来的那种。每片叶子被称为“叶片”，一面漆成黑色，另一面漆成白色。这些叶片安装在主轴上，并被封装在一个类似灯泡的低压腔中。

如果你曾在阳光明媚的夏日穿过黑色或白色的衣服，你就会知道黑色会吸收光线并升温，而白色则会反射光线并保持凉爽。这个装置就利用了这种效应。“当叶片暴露在强光下时，它们就会开始旋转，就像被推向黑色的那一侧一样，”巴加廷写道。

这一现象当时吸引了包括詹姆斯·麦克斯韦和阿尔伯特·爱因斯坦在内的杰出科学家的关注。这种运动不可能是由太阳辐射（太阳能电池板的能量来源）引起的，因为叶片会转向相反的方向。光子（或称轻粒子）在反弹时对表面的“推动”力比被吸收时更大。换句话说，白色一侧应该为旋转贡献更多能量。

相反，“玩具”的运作得益于热传递和气体。

天然气救援

我们周围充满了气体分子——氮气、氧气等等——它们不断地运动着。它们的能量越高，运动速度就越快。

如果叶片比周围空气温度高，附近的气体分子在随机撞击叶片表面时会加速。由于玩具的黑色面吸收更多能量时升温更快，因此黑色面会比白色面给予附近气体更大的动量，从而产生气流。这种被称为光泳的效应在低压下尤为显著。因此，在稀薄的大气中，例如地球表面或火星上空的高空，它可以产生有用的力。“低压环境下，情况会变得有点不稳定，”谢弗告诉《自然》杂志。

2021年，巴加廷和他的团队基于物理学原理，率先研发出微型可飞行装置——每个都比保鲜膜还要薄。这些装置比最初的玩具轻得多，但过于脆弱，无法运载货物。

新设备更加坚固。它们由两层穿孔氧化铝构成，每层厚度大约比人的头发丝薄1000倍，并通过一系列支柱连接。顶层允许光线透入。底层涂有铬，可以吸收阳光。

这层下层就像玩具的黑色面：当气体从温度更高的下层反弹时，它会比撞击上层的气体获得更多的能量。此外，由于上层空气温度较低、密度较大，它会自然下沉，并通过上层孔洞产生气流。

研究团队写道：“总体而言，多孔结构越多，在较低海拔地区就能举起更多物体。”

在自然阳光下，该装置会产生气流将其向上托起。巴加廷写道，这“类似于向下喷射的气体推动火箭向上飞行”。尽管科学家们此前也制造过类似的装置，但它们需要比自然阳光强得多的光照才能工作，这使得它们在太空探索中不太实用。

更大的有效载荷

研究小组接下来使用计算机模拟来测试这种新设备的手掌大小版本在类似中间层的低压环境下如何飞行。

地球大气层的最外层区域常常难以被科学研究触及，因为其难以到达。飞机和气球无法飞到那么高。地面雷达和卫星可以提供一些遥感数据，但覆盖范围较低。

该团队的模拟表明，在中间层自然出现的压力和温度条件下，更大版本的超轻型设备可以携带 10 毫克的有效载荷——足以支持小型无线电天线、传感器和其他微电子设备来检测和传达大气变化。

由于飞行器仅靠太阳能驱动，理论上，它们可以在夏季靠近两极的几个月里无限期地悬浮在空中。它们甚至可以在夜间利用地球发出的红外线供电，以这种方式悬浮数周甚至数月。

如果规模扩大，这些设备可以在十年内开始研究高空云层和闪电事件，追踪流星尘埃，并记录与气候变化相关的温度波动。在地球之外，成群的太阳能设备有朝一日可以探索火星，火星的大气层稀薄，大致类似于中间层。

“我们对这些设备在火星上的飞行性能做了一些建模，结果显示它们的性能相当接近，”谢弗说。由于这些设备非常轻便，很容易用火箭运输。如果装载传感器和通讯设备，它们可以发回这颗尘土飞扬的星球上的水蒸气、风速和其他状况的数据。

这篇文章“这些微型飞机完全由太阳热量提供动力”最先出现在SingularityHub上。

原文： https://singularityhub.com/2025/08/21/these-tiny-aircraft-are-powered-entirely-by-the-suns-heat/