Forscher entwickeln ultraleichte Fluggeräte, die eine bisher kaum erforschte Region der Erde erkunden sollen, ihr Trick: Sie surfen auf Sonnenlicht

Eine visuelle Repräsentation, wie solche Disks prinzipiell ausschauen könnten – wenn auch mit einem futurischen Drall. (Bildquelle: Adobe Firefly, generative KI)

Weit oben, jenseits aller Flugzeuge existiert eine einzigartige Zone. Sie lockt als Teil der Atmosphäre, doch verspricht jedem Lebewesen den Tod. Forscher haben jetzt eine komplett neue Art Vehikel entwickelt. Sie schweben auf Sonnenlicht – ohne Treibstoff- oder Stromeinsatz.

Wir stellen euch diesen Durchbruch von Physik, Materialwissenschaften und Ingenieurswesen vor und erklären, inwiefern sie gleich mehrere Forschungsfelder revolutionieren könnten.

Photophorese: Surfende Sonnenschweber werden Wirklichkeit

Ultraleichte, nanofabrizierte, makroskopische Strukturen, die ohne Treibstoff oder mechanische Teile in der höchsten Erdatmosphäre schweben können. Klingt nach Zauberei?

Das Fachwort dahinter lautet: photophoretische Kräfte. Bitte? Was für ein Foto? Um zu verstehen, was das bedeutet, nehmen wir das Stammwort dazu »Photophorese« auseinander: Photo bedeutet Licht (wie bei Foto/Photographie), und phorese steht für tragen. Es geht also buchstäblich darum, vom Licht getragen zu werden.

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Physikalisch steckt dahinter, dass Kräfte entstehen, die ein Objekt durch ungleichmäßige Erwärmung anheben. Im Detail funktioniert die Herstellung von zentimetergroßen (Makro) Fluggeräten folgendermaßen:

• Es werden extrem dünne und leichte Strukturen aus Keramik-Aluminiumoxid (Alumina) und Chrom gefertigt, genauer:
• Zwei dünne Membranen hiervon werden in zwei Schichten aufeinander montiert, dazwischen bleibt etwas Luft.
• Vertikale Elemente (Ligamente) trennen sie und sorgen für Steifheit der Konstruktion
• In den Membranen befinden sich Luftöffnungen – kleinteilig perforiert. Dies verstärkt den Effekt, da der Luftaustausch durch viele kleine porenartige Strukturen begünstigt wird, quasi wie beim Schwitzen. Deshalb heißt das Prinzip auch thermische Transpiration.
• Die Oberseite ist lichtdurchlässig
• Die Unterseite hingegen absorbiert Licht
• Hierdurch erhitzt sich die Unterseite mehr als die obere
• Weil die Unterseite wärmer ist, bewegen sich Gasmoleküle bevorzugt von der kühlen Ober- zur warmen Unterseite. Als Wegmarken dienen die winzigen Poren (thermische Transpiration). Das erzeugt ein Druckungleichgewicht zwischen oben und unten.
• Dieser Druckunterschied erzeugt den Auftrieb, ähnlich einem sehr schwachen Rückstoßprinzip: Das Vehikel schwebt.

Allerdings generiert Photophorese nur eine sehr geringe Kraftwirkung und dann noch unter geringsten Luftdrücken. Doch neuartige Konstruktionstechniken und extrem leichte Materialien schaffen neue Fenster für exotische Nutzungen.

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Im Labor erfolgreich getestet

In Labortests erprobte das Forscherteam erfolgreich eine ein Zentimeter breite Struktur bei einem Luftdruck von 26,7 Pa (0,026 Prozent des Drucks auf Meeresniveau). Sie strahlten es dabei mit einem Laser an, der Sonnenlicht von 55 Prozent der durchschnittlichen Stärke nachempfand.

Zudem errechneten sie, dass eine sechs Zentimeter durchmessende Disk bis zu 10 Milligramm an Nutzlast tragen könnte. Das wäre genug für eine Solarzelle, die Strom für ein Onboard-Kommunikationssystem liefern könnte, um die von integrierten Schaltkreisen gesammelten Daten zu übertragen. Mitsamt seiner Forschungsbeladung soll es laut Simulation tagsüber in 75 Kilometer Höhe konstant schwebend verbleiben.

Dank dieser Innovation in Kombination mit den leichten Materialien und modernsten Fertigungsweisen könnte nun eine der letzten bis heute unbezwungenen Grenzen unseres Planeten fallen.

Die Ignorosphäre bezwingen

Wozu sollen diese neuartigen Flieger gut sein? Sie können eine sehr spezielle Schicht unserer Atmosphäre erreichen – und als einzige Art von Vehikel auch dort verweilen. Denn die obere Mesosphäre (in etwa 65–85 Kilometer Höhe) steht für einzigartige Verhältnisse auf unserem Planeten. Die Branche nennt sie deshalb spaßeshalber Ignorosphäre, da wir sie gezwungenermaßen ignorieren.

Denn hier weit oben ist die Luft zugleich zu dünn und viel zu dicht. Denn…

• Satelliten würden sich dort eben unterhalb des niedrigen Erdorbits (LEO, ab rund 200 Kilometer Höhe) nur für kurze Zeit halten können, da der Widerstand der Gaspartikel sie stetig abbremst. Sie drohen deshalb, zurück auf die Erde zu stürzen, da sie nicht schnell genug sind, um im Orbit zu bleiben. (Nähere Erklärung eines Orbits hier)
• Für Flugzeuge oder sogar Forschungsballons herrscht in der oberen Mesosphäre aber ein viel zu geringer Druck. Weder finden erstere genügend Luft, um mittels Tragflächen Auftrieb zu erzeugen, noch können letztere durch unterschiedlich dichte Gase darin aufsteigen.

Mittels Ausnutzung photophoretischer Kräfte besteht jedoch die Chance, dass wir dort oben endlich einen Fuß in die luftig-dünne Tür bekommen. Die potenziellen Aufgaben dort oben fallen vielfältig aus:

• Klima- und Wetterforschung
• Kommunikation
• Fotografie oder Erdbeobachtung außerhalb des sichtbaren Lichtspektrums

Hinzu kommt ein außerirdisches Anwendungsfeld. Denn Planeten wie Mars weisen eine Atmosphäre in Bodennähe auf, die einiges mit jener in der oberen Mesosphäre gemein hat: dünn, dennoch relativ schnelle Bewegungen der wenigen vorhandenen Partikel und kalt. Zudem erreicht das Sonnenlicht die Oberfläche des roten Planeten zumeist problemlos – es sind meistens keine Wolken vorhanden.

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Prinzip bewiesen, doch noch viel zu tun

Allerdings bleiben – wie üblich bei neuartiger Technologie – auch noch einige Fragen offen. Dazu gehören:

• Als wie skalierbar erweisen sich Bauweise und Materialien? Sind auch deutlich größere Strukturen von mitunter mehreren Metern möglich? Dies würde die denkbaren Traglasten drastisch steigern.
• Wie lange halten die Sonnenschweber?
• Wie reagieren sie auf wechselhafte Bedingungen? Können Sie wieder beliebig steigen oder geht es zunächst nur um Wegwerf-Sonden für einen Tag?

Hoffentlich vermögen wir diese Leerstellen in unserem Wissen zu füllen. Doch um uns diese neue Sphäre der Erdatmosphäre für die Forschung zu öffnen, braucht es noch viele Testflüge. Die Köpfe hinter der Technik meinen es derweil ernst: Das Start-up Rarefied Technologies will auf dem Erreichten aufbauen und die Technik auch kommerziell verwertbar weiterentwickeln.