زومیت/ پدیده‌ای فیزیکی که ۱۵۰ سال پیش کشف شد، به اجسام ریز امکان می‌دهد تا فقط با استفاده از نور خورشید شناور شوند و اکنون پژوهشگران چنین دستگاهی ساخته‌اند.

آیا می‌توانید تصور کنید یک ورقه‌ی فلزی فقط به‌وسیله‌ی نور خورشید در آسمان شناور شود؟ چنین ایده‌ای بیشتر شبیه داستان‌های علمی‌تخیلی به نظر می‌رسد؛ اما پژوهشگران دقیقاً چنین چیزی طراحی کرده‌اند: غشاهای سوراخ‌دار در ابعاد کف دست که می‌توانند صرفاً با بهره‌گیری از اختلاف دما برای جابه‌جایی غیرفعالانه‌ی هوای اطراف خود، به‌طور نامحدود در جو فوقانی زمین شناور بمانند. پژوهشگران امیدوارند نسخه‌های آتی این «بشقاب‌پرنده‌های کوچک» بتوانند اثرات تغییر اقلیم را در ارتفاعات بالای زمین رصد کنند یا حتی برای کاوش جو مریخ به کار بروند.

روت لیبرمن، فیزیکدان خورشیدی که روی طرح‌های اولیه‌ی فناوری جدید کار کرده، اما در پژوهش جدید مشارکت نداشته است، دستاورد پژوهشگران را تحول‌آفرین می‌داند. او می‌گوید: «این غشاها کارآمدترین اجسام پرنده‌ای هستند که تاکنون با این اثر فیزیکی نادر ساخته شده‌اند و به نوعی دستگاه‌های سبز «حرکت دائمی» به شمار می‌آیند.»

لایه مزوسفر برای ماهواره‌ها بیش از حد متراکم است و برای پرواز هواپیما یا بالن نیز به اندازه‌ی کافی چگال نیست.

بن شفر، مهندس مواد در دانشگاه هاروارد و نویسنده اصلی پژوهش، به دنبال روشی بود تا بتواند مزوسفر را کاوش کند؛ لایه‌ای از جو زمین در ارتفاع ۵۰ تا ۸۰ کیلومتری که به دلیل دشواری دسترسی و نگهداری تجهیزات در آن، به «لایه‌ی نادیده گرفته‌شده» مشهور است. مزوسفر برای ماهواره‌ها بیش از حد متراکم است و برای پرواز هواپیما یا بالن نیز به اندازه‌ی کافی چگال نیست. با وجود ناشناختگی، مزوسفر به‌عنوان «قناری معدن» تغییرات اقلیمی شناخته می‌شود؛ زیرا ابرهای موجود در این ناحیه‌ی فوق‌العاده سرد، به تغییرات بخار آب و دما بسیار حساس‌اند.

چند سال پیش، تیمی به رهبری ایگور بارگاتین، مهندس مواد در دانشگاه پنسیلوانیا، راهی برای حرکت در مزوسفر با بهره‌گیری از یک پدیده‌ی فیزیکی کمتر شناخته‌شده به نام «فوتوفورز» یا «حرکت ناشی از نور» پیشنهاد داد. این اثر که بیشتر به‌دلیل رادیومتر کروکس (وسیله‌ی علمی عجیبی که در آن پره‌های فلزی درون حباب شیشه‌ای می‌چرخند) شناخته می‌شود، از نور برای ایجاد اختلاف دما بین دو سوی یک سطح نازک استفاده می‌کند. در جو رقیق، این اختلاف دما می‌تواند برای جابه‌جایی مولکول‌های هوا در اطراف سطح و ایجاد نیروی خالص کافی باشد.

در سال ۲۰۲۱، گروه بارگاتین دستگاه کوچکی معرفی کرد که قادر به پرواز فوتوفورتیک بود؛ اما این پرنده، به پهنای مداد و نازک‌تر از پلاستیک سلفون، نمی‌توانست به اندازه‌ی کافی بلند شود تا ابزارهای علمی کاربردی را حمل کند.

برای پیشبرد فناوری اولیه، شفر و تیمش دستگاهی ساختند که از دو ورقه‌ی سوراخ‌دار اکسید آلومینیوم تشکیل شده است. ورقه‌ها با ستون‌های ریز به هم متصل می‌شوند و یک طرف آن نور را جذب و طرف دیگر آن را عبور می‌دهد. این اختلاف دما برای جابه‌جایی هوای رقیق در ارتفاعات بالا و حتی از میان سوراخ‌های کوچک دستگاه کافی است و آن را در هوا معلق نگه می‌دارد. مزوسفر به‌طور خاص برای چنین دستگاه‌هایی مناسب است: نور خورشید کافی برای ایجاد اختلاف دما وجود دارد و تراکم هوا نیز در حد لازم است.

تیم پژوهشی با مدل‌سازی دقیق نیروهای وارد بر دستگاه در مزوسفر، آن را برای حمل بیشترین بار ممکن بهینه کردند؛ کاری که به گفته‌ی شفر، از خود طراحی دستگاه دشوارتر بود. نسخه‌ی بهینه‌شده برای مزوسفر حدود ۶ سانتی‌متر قطر دارد و پژوهشگران محاسبه کرده‌اند که می‌تواند در تابستان در عرض‌های جغرافیایی قطبی به‌طور نامحدود پرواز کند و در شب با استفاده از نور فروسرخ بازتابیده از سطح گرم زمین پایدار بماند. دستگاه در نزدیکی استوا نیز کار می‌کند؛ اما فقط در طول روز.

دستگاه ابداعی فقط می‌تواند ۱۰ میلی‌گرم بار حمل کند؛ چیزی در حد وزن چند دانه شن. اما همین مقدار برای یک سامانه مخابراتی کوچک با آنتن رادیویی و پنل خورشیدی یا حسگری کوچک برای تشخیص تغییرات آب‌وهوا کفایت می‌کند. لیبرمن می‌گوید: «می‌توانم ناوگانی جهانی از این دستگاه‌ها را تصور کنم که به‌عنوان بخشی از پیش‌بینی‌های روزمره هواشناسی، روزانه چند بار پرتاب می‌شوند.»

دستگاه ابداعی فقط می‌تواند ۱۰ میلی‌گرم بار حمل کند.

تیم پژوهشی همچنین چشم‌انداز فرستادن پرنده‌های کوچکش به مریخ را دارد؛ جایی که جو رقیق آن شبیه مزوسفر زمین است. ادوین کایت، ژئوفیزیکدان دانشگاه شیکاگو که در مطالعه نقشی نداشته، می‌گوید مدارگردهای فعلی مریخ نتوانسته‌اند جو پایینی این سیاره را به‌خوبی بررسی کنند. دسته‌هایی از پرنده‌های فوق‌سبک می‌توانند این شکاف را پر کنند و اطلاعات مداوم از آب‌وهوای مریخ، شامل سرعت باد، بخار آب و دیگر شرایط اقلیمی، مخابره کنند.

البته دستگاه پژوهشگران روی زمین با چالش‌هایی روبه‌رو است. ماه‌ها پیش، دولت دونالد ترامپ از ناسا خواست چندین مأموریت ماهواره‌ای را که مزوسفر را برای سنجش نقش گازهای گلخانه‌ای در تغییرات اقلیمی پایش می‌کردند، متوقف کند. مانند بسیاری دیگر از دانشمندان که با کاهش بودجه‌ی پژوهش‌های اقلیمی و سیاره‌ای مواجه شده‌اند، شفر نیز به بخش خصوصی چشم دوخته است. او در سال ۲۰۲۳ شرکتی به نام Rarefied تأسیس کرد که امیدوار است دستگاه‌ها را به مزوسفر زمین بفرستد و آن‌ها را برای اهداف تجاری توسعه دهد.

مطالعه پژوهشگران در ژورنال نیچر منتشر شده است.