仅靠阳光驱动的飞行器，可以探索地球的“飞行禁区”

在距离地球表面50至100千米之间，分布着一层几乎未被深入研究的大气——中间层。它对飞机和气象气球来说过于高远，对卫星来说又过于低矮，现有技术几乎无法对其进行长期监测。然而，深入了解这一层大气有助于提升天气预报和气候模型的准确性。为了填补这一“观测缺口”，科学家一直在寻找突破这一高度限制的新途径。

在一项新发表于《自然》杂志的研究中，一个研究团队提出了一种全新的解决方案：他们制造了一种依靠阳光驱动的轻质飞行结构，可以在这一“禁区”实现长期漂浮。

从原理到设计

这项突破的灵感可以追溯到150多年前。英国化学家威廉·克鲁克斯（William Crookes）曾制造出一种在阳光照射下会旋转的装置——光能辐射计。光能辐射计背后隐藏着一种特殊的物理机制——光泳，即由光引发的稀薄气体流动。

简单来说，光泳指的是，当气体分子撞击物体时，如果物体的某一侧因吸收光而温度更高，因而分子从这侧反弹时获得的动量比另一侧更大，从而在稀薄气体中产生一个持续升力的现象。这种效应在地面几乎察觉不到，但在中间层那样低压、低密度的环境中格外显著。

长期以来，科学家尝试利用光泳效应让物体悬浮，但这些装置要么仅能在微观尺度上实现，要么需要强烈的人造光源。在这项研究中，团队借鉴光能辐射计的原理，通过纳米工程制造出一种厘米级的飞行装置，能在自然阳光强度下悬浮。

这种装置由两片带孔的陶瓷氧化铝薄片构成，并由稀疏分布的氧化铝“纽带”相连。这种设计既能最大限度减少上下薄片之间的热传导，又能保证孔洞中的气流产生足够的升力。

飞行装置示意图。（图/Schafer et al. / Nature）

为增强光吸收，研究人员在底部薄片镀上了一层铬。如此一来，当阳光照射时，底部的升温速度会快于顶部，形成温差。这种温差导致与底部薄片碰撞的空气分子，在反弹时获得的动量大于与顶部薄片碰撞的分子，从而在材料内部形成光泳空气流，产生向上的升力。

飞行装置周围的气流示意图。（图/Ben Schafer & Jong-hyoung Kim）

在制作出这种厘米级的结构后，研究团队在实验室的低压舱中直接测量了这种装置所承受的光泳升力，并将实验结果与高层大气条件下的理论预测进行对比。一个关键的实验结果显示：在气压为26.7帕、光照强度仅为太阳55%的条件下，一个宽1厘米的装置可实现悬浮。这一气压对应于地球表面上空约60千米的高度——恰好位于中间层。

真实结构在光照下飞行的延时摄影。（图/Ben Schafer, Jong-hyoung Kim & Gyeong-Seok Hwang）

应用前景

长期以来，中间层被视为天然的“飞行禁区”——这里的空气稀薄到不足以支撑飞机或气球，又稠密到轨道卫星无法穿行。探空火箭虽能短暂进入并携带测量仪器，但测量时间通常仅能维持几分钟；卫星与地面雷达虽能提供长期遥感数据，但对中间层的覆盖正在下降，观测缺口在不断扩大。

如果能将这些精密的超轻结构能被放大到可搭载轻型传感器，它们就有望在中间层实现长期原位观测，采集风速、气压、温度等关键数据。这类数据对校准气候模型至关重要，而气候模型正是天气预报和气候变化预测的基础。可以说，这项技术让我们得以探索一个此前完全无法持续飞行的高空大气区。

设备的潜在应用场景示意图。（图/Ben Schafer & Jong-hyoung Kim）

除此之外，这项技术还可应用于国防与应急通信。例如，部署一组此类飞行器，可形成漂浮的天线阵列，其数据传输能力可媲美低轨卫星（如 Starlink），但因离地更近而延迟更少。由于地球高层大气与火星稀薄大气的物理特性相似，这项技术在行星探索与外星通信中同样具备潜力。

#参考来源：

https://seas.harvard.edu/news/2025/08/new-window-earths-upper-atmosphere

https://www.nature.com/articles/d41586-025-02355-7

https://www.sciencenews.org/article/sunlight-lightweight-aircraft-mesosphere

#图片来源：

封面图&首图：Ben Schafer & Jong-hyoung Kim