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Illustration von durch Sonnenwärme angetriebenen Flugobjekten

Foto: Schafer et al. Nature (2025)

Ultraleichte Flugobjekte könnten künftig allein von Sonnenstrahlen angetrieben durch die Atmosphäre in bis zu 80 Kilometer Höhe schweben und dort beispielsweise Kommunikationsdaten übertragen. Die neu entwickelten,zentimetergroßen Geräte kommen ohne Motor aus. Sie erhalten Auftrieb durch ein physikalisches Phänomen.

Auftrieb in dünner Luft

Bei der sogenannten Fotophorese setzen Wärmeunterschiede zwischen Vorder- und Rückseite eine Luftströmung in Gang. Eine Forschergruppe um Benjamin Schafer und Jong-hyoung Kim von der amerikanischen Harvard University beschreibt die neuen Geräte und ihre Anwendungsmöglichkeiten in der Fachzeitschrift »Nature«

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Die Kraft der Fotophorese sei im Verhältnis zur Größe und zum Gewicht des Objekts,auf das es einwirke,normalerweise so schwach,dass man sie kaum bemerke,sagt Schafer in einer Mitteilung seiner Universität. Wenn jedoch die Luft sehr dünn ist,wie in der Mesosphäre oberhalb von etwa 50 Kilometer Höhe,kann der Effekt für genügend Auftrieb sorgen.

Ähnlich zum Rückstoß einer Rakete

Die Wissenschaftler entwickelten ein zentimetergroßes Objekt,das dem Flügel eines Doppeldeckers ähnelt,nur sehr viel kleiner ist: Die obere Folie aus Aluminiumoxid ist durch winzige Röhrchen mit der unteren Folie verbunden,die wiederum aus zwei Schichten Aluminiumoxid und zwei Schichten Chrom besteht. Alle Schichten sind nur fünf bis hundert Nanometer dick. Ein Nanometer ist ein Millionstel Millimeter.

Bei Sonnenbestrahlung wärmt sich die untere Folie schneller auf,wodurch die Luftmoleküle,die von unten gegen sie prallen,zusätzliche Energie erhalten und stärker abprallen. Der entstehende Unterdruck zieht Luft nach sich,die durch die winzigen Röhrchen von oben nach unten fließt. Dies wirkt ähnlich wie der Abgasstrahl einer Rakete,der durch den Rückstoß die Rakete antreibt. Allerdings bewegen sich fotophoretische Flugobjekte geräuschlos und emissionsfrei.

Erfolgreiche Tests im Labor

Die Tests im Labor unter Bedingungen wie in der Mesosphäre verliefen laut dem Forschungsteam erfolgreich. »Das erste Mal wurde gezeigt,dass man größere fotophoretische Strukturen bauen und sie tatsächlich in der Atmosphäre fliegen lassen kann«,sagt der Mitautor David Keith von der University of Chicago.

Schwärme solcher fotophoretischer Flugobjekte könnten »innerhalb des nächsten Jahrzehnts hochauflösende Daten über Temperatur,Druck,chemische Zusammensetzung und Winddynamik der Mesosphäre sammeln«,schreibt Igor Bargatin von der University of Pennsylvania in Philadelphia in einem Kommentar,ebenfalls in »Nature«.

Nutzlast noch gering

Als weiteren möglichen Einsatzzweck sehen Schafer,Kim und Kollegen die Nutzung als Telekommunikationseinrichtung,ähnlich wie die Starlink-Satelliten,aber weniger zeitverzögert. Auch in der dünnen Marsatmosphäre könnten die Geräte eines Tages zum Einsatz kommen,spekulieren die Forscher.

Allerdings gibt es noch eine Reihe von Hürden. So funktioniert die Fotophorese nur,wenn die Sonne scheint,also tagsüber. Kleinere Objekte könnten aber womöglich nachts durch die Wärmestrahlung der Erde in der Mesosphäre gehalten werden,schreiben die Studienautoren.

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Die geringe Nutzlast ist ebenfalls problematisch. Einer Rechnung der Forschenden zufolge könnte ein 80 Zentimeter großes Objekt eine Nutzlast von gerade einmal 0,9 Gramm tragen – unter optimalen Bedingungen am Äquator.

msk/dpa