陽(yáng)光，作為電磁波譜中最易被感知的能量載體，一直是地球生態(tài)與人類技術(shù)進(jìn)步的核心驅(qū)動(dòng)力。從植物的光合作用，到促進(jìn)人體鈣質(zhì)吸收，再到太陽(yáng)能發(fā)電，我們對(duì)陽(yáng)光的開(kāi)發(fā)利用從未停歇……

如今，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，光的輻射壓力與物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)特性結(jié)合，竟能產(chǎn)生穩(wěn)定的“光致浮力”。這不僅是能量的轉(zhuǎn)化，更是力的直接調(diào)控——當(dāng)這種力足以抗衡重力時(shí)，飛行器就能借陽(yáng)光之力懸浮于空。

光照的魔力

光致浮力的原理其實(shí)并不復(fù)雜。當(dāng)陽(yáng)光照射到物體表面時(shí)，光能被吸收并轉(zhuǎn)化為熱能。物體表面的溫度差異與氣體分子間的微小相互作用，產(chǎn)生了一種推動(dòng)力。這股看不見(jiàn)的力量足以讓超輕的微型物體在大氣中輕輕漂浮，就仿佛陽(yáng)光托起了它們。

光致浮力原理圖

例如，一片超薄的納米膜，在陽(yáng)光的照射下，緩緩升空，像紙飛機(jī)一樣在天空中自由飛翔。這種現(xiàn)象的背后，正是光的輻射壓力通過(guò)物體微觀結(jié)構(gòu)的調(diào)控作用，推動(dòng)物體向上升空。

一項(xiàng)出乎意料的設(shè)計(jì)

這一物理現(xiàn)象最早可以追溯到150多年前……在1873年，化學(xué)家威廉·克魯克斯進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)，嘗試在真空條件下精確稱量樣品。他注意到當(dāng)光線照射到天平時(shí)，稱量結(jié)果會(huì)受到影響，從而引發(fā)了他對(duì)光與物質(zhì)相互作用的興趣，并最終發(fā)明了光能輻射計(jì)（也稱為克魯克斯輻射計(jì)或光能計(jì)）。

化學(xué)家威廉·克魯克斯

輻射計(jì)由一對(duì)黑白葉片組成，當(dāng)暴露在陽(yáng)光下時(shí)，葉片會(huì)因吸收光線而升溫，從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。這是因?yàn)闇囟容^高的黑色面會(huì)比白色面吸收更多的光能，并傳遞給氣體分子，使空氣流動(dòng)并產(chǎn)生足夠的推力推動(dòng)葉片旋轉(zhuǎn)。今天，科學(xué)家們將這一原理與現(xiàn)代納米技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)出微小的飛行器，能夠在陽(yáng)光下懸浮。

克魯克斯輻射計(jì)

哈佛大學(xué)的本·謝弗及其團(tuán)隊(duì)將這一光泳現(xiàn)象與現(xiàn)代納米技術(shù)結(jié)合，創(chuàng)造出了能夠在陽(yáng)光照射下懸浮的微型飛行器。這款飛行器的核心是由兩片微孔氧化鋁薄片構(gòu)成，底層薄片吸收陽(yáng)光并迅速升溫，形成定向氣流，而這一氣流的方向是向上流動(dòng)的。這種設(shè)計(jì)利用了類似輻射計(jì)葉片的效應(yīng)，增強(qiáng)了升力效果。

在實(shí)驗(yàn)中，飛行器在白色LED燈和激光的照射下成功懸浮，而所需的光強(qiáng)度比自然光強(qiáng)度的50%還要低。相比于其他太陽(yáng)能飛行器，這種設(shè)計(jì)大大降低了對(duì)光強(qiáng)度的要求，并能夠在實(shí)驗(yàn)室的低氣壓條件下正常工作。實(shí)驗(yàn)中，氣壓遠(yuǎn)低于地球表面的數(shù)千倍，但飛行器依然能夠在這種環(huán)境下懸浮。

實(shí)際設(shè)備的大氣懸浮。向上的推力是由熱蒸騰氣流通過(guò)設(shè)備膜上的微尺度穿孔產(chǎn)生的。回流發(fā)生在遠(yuǎn)離設(shè)備的地方。

用光的力量實(shí)現(xiàn)飛行

傳統(tǒng)的高空探測(cè)通常依賴于氣象氣球和衛(wèi)星，但它們有個(gè)共同的挑戰(zhàn)——要么飛行時(shí)間有限，要么造價(jià)高昂。光致浮力裝置則像微型無(wú)人飛行器，可以在平流層和中間層（20-100公里的高度）長(zhǎng)時(shí)間懸浮，采集溫度、濕度、壓力和風(fēng)速等數(shù)據(jù)。

來(lái)源：視覺(jué)中國(guó)

不需要引擎、不需要燃料，僅靠陽(yáng)光的浮力，就能在上空停留數(shù)天。這樣不僅能更精確地研究氣候變化，還能夠追蹤氣流模式，為天氣預(yù)測(cè)提供重要線索。

突破“無(wú)知層”

光致浮力飛行器的真正潛力在于其能進(jìn)入地球大氣層的“無(wú)知層”——位于地面之上的50至100公里的極薄大氣層。由于這一層大氣的稀薄，傳統(tǒng)的氣象氣球和衛(wèi)星無(wú)法有效進(jìn)入這一區(qū)域采集數(shù)據(jù)，而光致浮力飛行器則能夠突破這一難題。

這些微型飛行器可以搭載氣象傳感器，進(jìn)行溫度、濕度、壓力等數(shù)據(jù)的采集，幫助我們填補(bǔ)這一層次大氣的空白。光致浮力飛行器不需要燃料，完全依靠陽(yáng)光提供的浮力，能夠長(zhǎng)時(shí)間停留在高空，從而進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的環(huán)境監(jiān)測(cè)。

光泳懸浮設(shè)備的應(yīng)用包括收集氣候數(shù)據(jù)、建立下一代通信和在衛(wèi)星之間傳遞數(shù)據(jù)

太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的未來(lái)飛行

這種基于光泳現(xiàn)象的飛行器不僅能在地球的上層大氣中工作，也為其他星球的氣候探測(cè)提供了新思路。例如，光致浮力飛行器可以在火星的大氣中發(fā)揮作用，幫助科學(xué)家收集有關(guān)火星氣候的數(shù)據(jù)。

此外，與傳統(tǒng)的氣象氣球和衛(wèi)星相比，光致浮力飛行器具有明顯的優(yōu)勢(shì)——無(wú)需任何燃料，且可以在不受天氣條件限制的情況下，進(jìn)行高效的長(zhǎng)期數(shù)據(jù)采集。這種飛行器的能源來(lái)源僅僅是陽(yáng)光，這使得它成為一種環(huán)保且高效的高空監(jiān)測(cè)工具。

結(jié)語(yǔ)

光致浮力飛行器的出現(xiàn)不僅幫助我們了解地球大氣的變化，還可能為未來(lái)的星際探索提供全新的解決方案。借助這一技術(shù)，我們可以利用陽(yáng)光和物理學(xué)原理，無(wú)燃料、無(wú)污染地進(jìn)行飛行，開(kāi)啟高空探測(cè)的新紀(jì)元。

參考文獻(xiàn)

Schafer, B.C., Kim, Jh., Sharipov, F. et al. Photophoretic flight of perforated structures in near-space conditions. Nature 644, 362–369 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09281-8

Jeremy Hsu (2025), Tiny discs can levitate in the upper atmosphere using sunlight alone., 具體參見(jiàn)：https://www.newscientist.com/article/2492170-tiny-discs-can-levitate-in-the-upper-atmosphere-using-sunlight-alone/?utm_term=Autofeed&utm_campaign=echobox&utm_medium=social&utm_source=Linkedin=1755106607

電子科技博物館(2016)，光懸浮技術(shù)，具體參見(jiàn)：https://www.museum.uestc.edu.cn/info/1184/2308.htm.

來(lái)源：石頭科普工作室

編輯：Zoey

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