Sonnenlicht lässt Sensoren schweben

Cambridge (USA) - Wer Wetter und Klima besser verstehen will, muss möglichst alle Vorgänge in den verschiedenen Schichten der Atmosphäre detailliert untersuchen. Doch für die sogenannte Mesosphäre in 50 bis 100 Kilometer Höhe fehlen bisher viele Daten. Flugzeuge und Ballone erreichen diese Schicht nicht, Satelliten kreisen weit höher um die Erde. Winzige und extrem leichte Sensoren könnten diese Wissenslücke stopfen. Eine internationale Forschergruppe schlägt nun vor, diese Sensoren über den photophoretischen Effekt anzutreiben. Dabei soll es ausreichen, kleine Flugkörper mit Sonnenlicht zu erwärmen, damit sie tagsüber stabil in der Mesosphäre schweben können. In der Fachzeitschrift „Nature“ präsentiert das Team um Benjamin Schafer von der Harvard University in Cambridge erste Laborversuche für einen photophoretischen Antrieb.

Bei der Photophorese treffen Gasmoleküle auf eine kühlere Oberseite und eine wärmere Unterseite eines Objekts. Erwärmte Gasmoleküle bewegen sich etwas schneller als kältere und übertragen dadurch einen größeren Impuls auf die untere Seite eines Flugkörpers. Dabei wirken nach oben gerichtete Kräfte, die den gesamten Flugkörper schweben lassen. Da diese Kräfte jedoch sehr klein sind, funktioniert der photophoretische Effekt allerdings nur in extrem dünner Luft mit sehr geringen Luftdrücken. Doch genau diese Bedingungen herrschen in der Mesosphäre.

Gemeinsam mit seinen Kolleginnen und Kollegen berechnete Schafer zuerst die winzigen Kräfte, die auf kleine Flugkörper in der Mesosphäre wirken könnten. Die Ergebnisse zeigten, dass der photophoretische Effekt tatsächlich ausreicht, um diese Flugkörper bei geringen Luftdrücken von knapp 30 Pascal schweben zu lassen. Zum Vergleich: Nahe der Erdoberfläche ist der Luftdruck mit etwa 100.000 Pascal um ein Vielfaches höher.

„Wir sind in der Lage, unsere Strukturen so leicht zu machen, dass die photophoretische Kraft größer ist als ihr Gewicht, sodass sie fliegen,“ sagt Benjamin Schafer. Ein erster Prototyp ist etwa einen Quadratzentimeter groß und gerade mal 130 Mikrogramm schwer. Er besteht aus zwei hauchdünnen, mit zahlreichen Löchern perforierte Membranen aus Aluminiumoxid. Diese werden durch einige, nur 25 Mikrometer durchmessene Hohlsäulen miteinander verbunden. Die obere Membran reflektiert Sonnenlicht sehr gut und bleibt dadurch kühl. Die untere Membran dagegen absorbiert das durch die Löcher einfallende Sonnenlicht dank einer Chrom-haltigen Beschichtung besser und heizt sich auf. Der Temperaturunterschied kann dabei bis zu 300 Grad betragen.

In einer Vakuumkammer mit einem Luftdruck von 26,7 Pascal beleuchteten die Forschenden ihre Prototypen sowohl mit blauem Laserlicht als auch mit einer Weißlicht-Leuchtdiode. Beide Lichtquellen, die das natürliche Sonnenlicht simulieren sollten, reichten aus, um die Flugkörper stabil schweben zu lassen. Damit zeigte die arbeitsgruppe, dass der photophoretische Effekt prinzipiell für einen Solarantrieb geeignet ist. Um jedoch kleine Sensoren und Funkmodule in der Mesosphäre tragen zu können, müssen noch Flugkörper aus deutlich größeren Membran-Strukturen entwickelt werden. Sollte dies gelingen, ließen sich die Flugkörper mit einem Wetterballon nah an die Mesosphäre transportieren. Dort ausgesetzt könnten sie dank der Photophorese weiter aufsteigen und Daten sammeln.