Leichte, gefiederte Drohnen werden mit Solarenergie unbegrenzt schweben

Raum

Redaktion der Website für technologische Innovationen – 14. August 2025

Eine photophoretische Flugmembran könnte kleine Wettersensoren dauerhaft in der oberen Atmosphäre halten. [Bild: Ben Schafer/Jong-hyoung Kim]

Schwimmende Platten

Sie funktionieren wie Ballons, sind aber flach, aus Metall und benötigen nicht einmal Gas, um in der Luft zu schweben. Trotzdem können diese kleinen Paneele allein mit Solarenergie monatelang in der Luft bleiben.

Die Idee ist, dass sie in Höhen von 50 bis 100 Kilometern schweben – also bereits an der Grenze zum Weltraum – und kontinuierlich Daten aus den Schichten der Atmosphäre sammeln, die gerade deshalb nahezu unerforscht sind, weil es sehr schwierig ist, sich dort aufzuhalten – Ballons und Flugzeuge sind viel niedriger und Satelliten viel höher.

Bei diesen „flachen Ballons“ handelt es sich eigentlich um kleine, perforierte Metallplatten im Nanomaßstab, die dank eines Phänomens namens Photophorese schweben, einer Art Sonnenantrieb, der auftritt, wenn Gasmoleküle von der heißen Seite eines Objekts stärker abprallen als von der kalten Seite, wodurch kontinuierlicher Impuls und Auftrieb erzeugt werden.

Dieser Effekt ist nur in Umgebungen mit extrem niedrigem Druck von Bedeutung, was genau den Bedingungen entspricht, die in der Mesosphäre herrschen, einer Schicht der Erdatmosphäre, die fast unbekannt ist, weil sie sehr schwer zu untersuchen ist.

„Wir untersuchen diesen seltsamen physikalischen Mechanismus namens Photophorese und seine Fähigkeit, sehr leichte Objekte schweben zu lassen, wenn man sie mit Licht anstrahlt“, sagte Ben Schafer von der Harvard University in den USA. Auch Professor Felix Sharipov von der Federal University of Paraná ist an dem Projekt beteiligt.

Zeitrafferfotos einer realen Struktur, die bei Beleuchtung fliegt. [Bild: Ben Schafer/Jong-hyoung Kim/Gyeong-Seok Hwang]

Photophorese-Unterstützung

Schwimmende Platten sind dünne Membranen mit Durchmessern im Zentimeterbereich. Sie bestehen aus keramischem Aluminiumoxid, das auf der Unterseite mit einer Chromschicht überzogen ist. Trifft Sonnenlicht auf diese Strukturen, löst der Wärmeunterschied zwischen Ober- und Unterseite eine photophoretische Auftriebskraft aus, die das Gewicht der Struktur übersteigt und sie zum Schweben bringt.

„Dieses Phänomen ist im Verhältnis zur Größe und zum Gewicht des Objekts, auf das es einwirkt, normalerweise so schwach, dass wir es normalerweise nicht bemerken“, sagte Schafer. „Wir haben es jedoch geschafft, unsere Strukturen so leicht zu machen, dass die photophoretische Kraft größer ist als ihr Gewicht, sodass sie fliegen können.“

Der Machbarkeitsnachweis umfasste eine 1 Zentimeter breite Struktur, die bei einem atmosphärischen Druck von 26,7 Pascal schwebte, wenn sie Licht mit nur 55 Prozent der Intensität des Sonnenlichts ausgesetzt war. Dieser Druckzustand entspricht dem, was 60 Kilometer über der Erdoberfläche herrscht, und ist zudem der Marsatmosphäre sehr ähnlich. Dies beweist, dass diese Nanofahrzeuge auch die Atmosphäre des Mars untersuchen könnten .

Möglich wurde dies durch die Entwicklung eines Nanofabrikationsverfahrens, mit dem sich deutlich größere Membranen mit Durchmessern von mehreren zehn Zentimetern herstellen lassen als bisher. Das Team arbeitet nun daran, Nutzlasten wie Sensoren und Datensender in die schwimmenden Plattformen zu integrieren.

Illustration der möglichen Verwendungsmöglichkeiten von schwimmenden Platten. [Bild: Ben Schafer/Jong-hyoung Kim]

Anwendungen auf der Erde und dem Mars

Das Team sieht für das neue Gerät vielfältige Anwendungsmöglichkeiten, insbesondere in der Klimaforschung. Ausgestattet mit leichten Sensoren könnte das Gerät wichtige Daten wie Windgeschwindigkeit, Druck und Temperatur aus einem Bereich der Atmosphäre erfassen, der lange Zeit ein blinder Fleck war. Damit fehlen wichtige Daten zur Kalibrierung der Klimamodelle, die die Grundlage für Wettervorhersagen und Klimaprognosen bilden.

Zu den weiteren potenziellen Anwendungen gehört die Telekommunikation: Eine Flotte dieser schwimmenden Platten könnte die Schaffung eines Antennenarrays ermöglichen, dessen Datenübertragungsfähigkeiten mit denen von Satelliten in niedriger Umlaufbahn vergleichbar sind, die beispielsweise Internetdienste bereitstellen, jedoch aufgrund ihrer größeren Nähe zum Boden eine geringere Latenz aufweisen.

„Dies ist das erste Mal, dass es möglich ist, größere photophoretische Strukturen zu bauen und sie tatsächlich in der Atmosphäre fliegen zu lassen“, sagte Professor David Keith. „Dies eröffnet eine völlig neue Klasse passiver Geräte, die mit Sonnenlicht betrieben werden und sich hervorragend für die Erforschung unserer oberen Atmosphäre eignen. Sie könnten irgendwann auf dem Mars oder anderen Planeten fliegen.“

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