טיסה על קרן שמש: המדענים שבנו את השטיח המעופף הראשון

גור זיו
8 באוק׳
זמן קריאה 5 דקות

תשכחו מרחפנים ורקטות. מדענים הצליחו לגרום לחפץ לרחף באמצעות אור בלבד! הם פיתחו "עלים" זעירים וקלילים שיכולים לרחף ללא הגבלת זמן בשכבות הגבוהות של האטמוספירה, ואולי יום אחד גם על מאדים. זה לא מדע בדיוני, זהו "שטיח מעופף" אמיתי. הצטרפו אלינו למסע אל ה"איגנורוספירה", הגבול האחרון של כדור הארץ, וגלו את הפיזיקה המוזרה שמאחורי הטכנולוגיה שעשויה לשנות את חקר החלל לנצח.

מאז שחר האנושות, הרעיון של ריחוף חסר מאמץ, של שטיח מעופף המתרומם אל השמיים ללא מנועים רועשים או כנפיים מנפנפות, הצית את דמיוננו. הוא נשאר נחלתו של הפולקלור ושל סיפורי אלף לילה ולילה, סמל לחופש מכבלי הכבידה. אך מה אם היינו מגלים שהמפתח לטיסה כזו, לריחוף שקט ואלגנטי, מסתתר לא בקסם, אלא בעיקרון פיזיקלי שכמעט נשכח, עיקרון שמנצל את הכוח העדין ביותר בטבע - אור השמש עצמו?

צוות מהנדסים מאוניברסיטת פנסילבניה עשה בדיוק את זה. הם לקחו אפקט פיזיקלי מוזר, שהתגלה עוד במאה ה-19, ורותמו אותו כדי לבנות את אב-הטיפוס הראשון של כלי טיס שאין לו מנוע, אין לו מדחפים ואין לו דלק. אלו הם "עלים" זעירים וקלילים, במשקל של נוצה, שיכולים לרחף ללא הגבלת זמן, מונעים מכוחה של השמש בלבד. זוהי פריצת דרך טכנולוגית שעשויה לפתוח בפנינו עידן חדש בחקר האטמוספירה העליונה של כדור הארץ, ואולי אף לשלוח את הדור הבא של חוקרים רובוטיים אל השמיים האדמדמים של מאדים.

סוג חדש של מעופף פוטופורטי, שנראה כאן בעיבוד אמן, יכול לשמור על חיישני מזג אוויר קטנים באטמוספירה העליונה ללא הגבלת זמן הודות לשתי ממברנות מחוררות המוחזקות על ידי אור השמש / Schafer et al., Nature (2025)

האתגר שהניע את המחקר הזה הוא אחד הגבולות האחרונים והפחות נחקרים של כוכב הלכת שלנו: המזוספירה. זוהי שכבת אטמוספירה המשתרעת בגובה של 50 עד 85 קילומטרים מעל פני הים. מדענים מכנים אותה לעיתים בחיבה "האיגנורוספירה" (Ignorosphere) - שילוב של המילים "בורות" ו"אטמוספירה" - מכיוון שאנו יודעים עליה מעט מאד. הסיבה לכך פשוטה: קשה מאד להגיע לשם. האוויר במזוספירה דליל פי אלף מאשר בגובה פני הים, דליל מכדי לתמוך בטיסתם של מטוסים או בכדורים פורחים. אך באותו זמן, הוא עדיין צפוף מספיק כדי ליצור גרר שיפיל במהירות כל לוויין שינסה להקיף את כדור הארץ בגובה כה נמוך. התוצאה היא "אזור דמדומים" מדעי, אזור שאנו יכולים רק "לדגום" לרגעים קצרים באמצעות רקטות מחקר יקרות, אך לא לשהות בו ולחקור אותו לאורך זמן. וזה חבל, כי במזוספירה מתרחשות תופעות מרתקות, מעננים זוהרים ליליים ועד לזרמי סילון וגלים אטמוספריים המשפיעים על האקלים שלנו כאן למטה.

כדי לפתור את הבעיה, פרופסור איגור ברגטין (Igor Bargatin) וצוותו פנו לרעיון ישן. הם נזכרו בתופעה פיזיקלית בשם פוטופורזיס (Photophoresis). דמיינו חלקיק אבק זעיר המרחף בקרן שמש. כאשר האור פוגע בחלקיק, הוא מחמם אותו. אם צד אחד של החלקיק חם יותר מהצד השני, מולקולות האוויר הדלילות שפוגעות בצד החם יקבלו "בעיטה" אנרגטית חזקה יותר ויינתזו ממנו במהירות גבוהה יותר. על פי החוק השלישי של ניוטון, פעולת ה"בעיטה" הזו יוצרת כוח תגובה זעיר שדוחף את החלקיק לכיוון הנגדי, מהצד החם אל הצד הקר. ברוב המקרים, הכוח הזה זניח לחלוטין. אך באטמוספירה דלילה מאד, כמו זו שבמזוספירה, שבה הגרר נמוך, הכוח הפוטופורזי יכול להפוך למשמעותי, ואף להתגבר על כוח הכבידה עבור עצמים קלים במיוחד. "זהו רעיון שלא נחקר לעומק", אמר ברגטין בראיון. "אנשים תמיד חשבו שהכוח הזה קטן מכדי להיות שימושי".

האתגר היה לתכנן מבנה שימקסם את האפקט הזה. הצוות הבין שהמפתח הוא לא בצורת החלקיק, אלא במבנה הפנימי שלו. הם יצרו "עלים" זעירים, מעין דיסקיות חלולות בקוטר של סנטימטרים בודדים, העשויות מלוח פחמן דקיק שעוביו כמה ננומטרים בלבד. הסוד טמון במבנה התחתון של הדיסקית: הוא מכוסה באלפי חוטים זעירים, מיקרו-פילמנטים של פחמן, המכוונים כלפי מטה. כאשר אור (למשל, מנורת LED במעבדה או אור השמש בטבע) מאיר על חלקה העליון של הדיסקית, הוא מחמם אותה. החום מועבר מטה אל החוטים הזעירים, והם הופכים להיות חמים יותר מהסביבה. מולקולות האוויר הדלילות שמתחת לדיסקית פוגעות בחוטים החמים, מקבלות אנרגיה ומועפות כלפי מטה במהירות. התנועה הזו כלפי מטה יוצרת כוח דחף עדין כלפי מעלה, שמרים את הדיסקית כולה. במילים אחרות, המבנה הזעיר פועל כמנוע תרמי ללא חלקים נעים, המשתמש באור כדי ליצור זרם אוויר שמחזיק אותו באוויר. "הם בעצם שטיחים מעופפים זעירים," הסביר מוהסן אזאדי (Mohsen Azadi), סטודנט לדוקטורט והמחבר הראשי של המחקר שפורסם בכתב העת Nature.

כדי לבדוק את הרעיון, הצוות בנה תא ואקום מיוחד שבו הם יכלו לדמות את הלחץ והטמפרטורה השוררים במזוספירה. הם הכניסו את ה"עלים" הזעירים שלהם לתא, האירו עליהם עם נורות LED, והתוצאה הייתה מדהימה. המבנים הזעירים, ששוקלים כשליש מיליגרם בלבד, התרוממו וריחפו ביציבות בתוך התא. הם הוכיחו שהעיקרון עובד. "בנוסף להרמת המשקל של עצמם, הם יכלו להרים מטען נוסף", אמר ברגטין. "זה מראה שאנו יכולים להפוך את המכשירים הללו לפלטפורמות שימושיות". פאולו לזארי (Paolo Lazzari), מדען מהמכון לכימיה של חומרים בצרפת, שלא היה מעורב במחקר, התרשם עמוקות: "הרעיון להשתמש במבנים ננומטריים כדי לרתום את האפקט הפוטופורזי הוא חדשני ומבטיח ביותר", אמר.

ההשלכות של פריצת הדרך הזו הן עצומות. כאן על כדור הארץ, צי של "רחפני-אור" כאלה יוכל סוף סוף לפתוח את ה"איגנורוספירה" למחקר מתמשך. ניתן יהיה לשחרר אלפי חיישנים זעירים כאלה, שירחפו באטמוספירה העליונה במשך חודשים ואף שנים, מונעים מאור השמש בלבד. הם יוכלו למדוד טמפרטורה, לחץ, הרכב גזים ושדות מגנטיים ברזולוציה שמעולם לא הייתה אפשרית. הם יוכלו לעזור לנו להבין טוב יותר את הדינמיקה המורכבת של האטמוספירה שלנו, לשפר את מודלי האקלים, ואולי אף לפענח תופעות מסתוריות כמו ה"שדונים" (Elves) וה"פיות" (Fairies) - הבזקי אור מסתוריים המופיעים מעל סופות רעמים.

אך הפוטנציאל המרגש ביותר טמון אולי 400 מיליון קילומטרים מכאן, על פני השטח של מאדים. האטמוספירה של מאדים דלילה מאד - פחות מ-1% מהצפיפות של אטמוספירת כדור הארץ בגובה פני הים. תנאים אלה, שהופכים את הטיסה באמצעות רוטורים (כמו במסוק "אינג'ניואיטי") למשימה הנדסית כמעט בלתי אפשרית, הם התנאים האידיאליים עבור ריחוף פוטופורזי. רחפן המונע מאור יכול לחקור את פני השטח של מאדים בצורה חסרת תקדים. הוא לא יהיה מוגבל לאזור נחיתה קטן כמו רובר, ולא יטוס גבוה ומהר כמו לוויין. הוא יוכל לרחף באיטיות מעל קניונים, הרי געש ונהרות יבשים, למפות את פני השטח ברזולוציה של סנטימטרים, ולחפש אחר סימנים לחיים קדומים. מכיוון שהוא כל כך קל, ניתן יהיה לשלוח מאות ואלפי רחפנים כאלה במשימה אחת, וליצור רשת של חיישנים שתכסה אזורים נרחבים של הכוכב האדום.

כמובן, הדרך מהוכחת היתכנות במעבדה ליישום מעשי בחלל עוד ארוכה. ישנם אתגרים הנדסיים רבים שיש לפתור, כמו ניווט, תקשורת, והיכולת לשאת מכשור מדעי משמעותי. אך המחקר הזה מסמן את הצעד הראשון והחשוב ביותר. הוא מראה שהרעיון, שנחשב פעם לאזוטרי וחסר תועלת, הוא בר-ביצוע. הוא לוקח עיקרון פיזיקלי פשוט ואלגנטי, ורותם אותו לפתרון בעיה מורכבת. זוהי תזכורת לכך שלעיתים, הפתרונות המהפכניים ביותר אינם דורשים מנועים גדולים יותר או טכנולוגיות מסובכות יותר, אלא רק מבט רענן על העולם, והבנה עמוקה של הכוחות העדינים ביותר הפועלים בו. השטיח המעופף אולי עדיין שייך לעולם האגדות, אבל הריחוף על קרן שמש, כך נראה, נמצא כבר בהישג ידנו.