全新探索方式！微小懸浮的「納米紙板」飛行器未來或可以探索火星

2020-10-21 蔚知空間

「納米紙板」飛行器的可視化。 圖片來源：Bargatin Group, Penn Engineering

微小的、漂浮的「納米紙板」飛行器有朝一日可以探索火星塵土飛揚的紅色表面。

今年夏天，作為「高風險、高回報」實驗的一部分，美國國家航空航天局(NASA)將發射其最新的「毅力號」火星漫遊車與一架飛越火星表面的直升機Ingenuity。但即使在它發射之前，研究人員也在為火星設計更雄心勃勃的飛機。

NASA的「毅力號」探測器將於美國東部時間7月17日上午9點15分(北京時間17日21點15分)，在佛羅裡達州卡納維拉爾角空軍基地LC-41工位，使用聯合發射聯盟(ULA)的宇宙神V 541型運載火箭進行發射，屆時它不會是唯一一個前往火星的探測器，它還將攜帶名為Ingenuity的火星直升機。Ingenuity Mars直升機將被安置在新火星探測器的腹部，在部署之前將隨「毅力號」在火星上堅持數月。NASA希望Ingenuity將證明動力飛行可以在火星上實現。

NASA火星直升機Ingenuity。 圖片來源：NASA/JPL-Caltech

NASA火星直升機Ingenuity。 圖片來源：NASA/JPL-Caltech

NASA火星直升機Ingenuity。 圖片來源：NASA/JPL-Caltech

最令人感興趣火星探測器的是飛行器，它可以以更低的風險，更有效地觀察和研究火星表面。在一項新的研究中，研究人員展示了可以在火星上探測的獨特飛行機隊的能力：微型「納米紙板」飛行器。這些飛機每架重約三分之一毫克，或低於果蠅的重量，並且沒有活動部件。它們不是用翅膀或旋轉的葉片飛行，而是漂浮在空中。

研究人員在類似火星的環境中測試了「納米紙板」飛行器。 圖片來源：Bargatin Group，Penn Engineering

賓夕法尼亞大學工程與應用科學學院(School of Engineering and Applied Science)的主要作者伊戈爾·巴爾加廷(Igor Bargatin)在一份報告中說：「火星直升機非常令人興奮，但它仍然是臺單一、複雜的機器。如果出現任何問題，你的實驗就結束了，因為你沒有辦法修復它。我們提出了一種完全不同的方法，即不要把所有雞蛋放在一個籃子裡。」

2018年，巴爾加廷和團隊就把利用光懸浮的納米級材料研究成果發表在Nature Communications雜誌上，此後他們就一直在探索該技術的發展，並弄清楚其實際的應用性。

每個小小的飛行器都類似一張「納米紙板」，其靈感來自於紙板的波紋或脊。「納米紙板」是是中空的氧化鋁，厚度只有幾納米，上面帶有由納米板上的微通道圖案形成的隆起，使它們保持堅硬和不斷裂。

「納米紙板」是一種中空的、板狀的氧化鋁膜狀產物，上面有狹縫狀的通道。 圖片來源：Universetoday

報告稱，「納米紙板」中的微通道實際上是其獨特飛行方法背後的秘密：通道產生溫度梯度，推動空氣通過空心板，使其漂浮。

新的研究表明，如果在類似於火星的環境中，納米紙板飛行器實際上可承載的重量是自身重量的十倍，而火星具有相對較薄的大氣層和較弱的重力，這種不需要旋翼或螺旋槳的微型飛機可能是未來星球漫遊者的一項隨身任務。

這種奇怪的飛行方法在火星上尤其有利，因為火星上稀薄的大氣層和較弱的重力，這將使板塊能夠比地球上的板塊提升更多的重量，並在更遠的距離上飛行。

研究人員測試了「納米紙板」飛行器攜帶小型有效載荷的能力。 圖片來源：Bargatin Group，Penn Engineering

在這項研究中，研究人員在類似火星的實驗室環境中測試了「納米紙板」飛行器。他們在一個低壓試驗室中對這些飛行器進行了試驗，並通過讓小浮板承載矽膠環來進行模擬有效載荷試驗。

此外，巴爾加廷正在與其他的研究人員合作，開發新的、更小的化學傳感器，可以收集重要數據，探測其他行星上的甲烷和水等物質。

巴爾加廷說：「除了攜帶傳感器，我們的飛行器可以簡單地著陸，讓灰塵或沙粒被動地粘在上面，然後將它們運回火星車，這樣它就不需要走那麼遠了。」

巴爾加廷在研究中還建議，這些微型飛行器的機群可以用來研究我們自己星球的大氣層，特別是中間層。

納米紙板需要在專門的潔淨環境實驗室內精心製作。 圖片來源：Bargatin Group，Penn Engineering

巴爾格廷說：「地球的中間層在密度上與火星大氣非常相似，我們目前沒有任何能飛到那裡的東西，因為它對於空間衛星來說太低了，但是對於飛機和氣球來說太高了。理想情況下，你也希望上面有一些傳感器。你對該級別的大氣運動了解得越多，就能對地球的氣候甚至天氣做出更好的預測。」

研究人員還在繼續改進他們的納米板技術，並在低壓試驗室測試這種材料，以研究納米紙板在強光照射下的懸浮能力，測試它對陽光和聚焦雷射的反應能力，最終也許會誕生一種持續受控的全新飛行方式。

傳送門：https://mp.weixin.qq.com/s/F1_flZmcs2SEkvxSzLTx6Q

更多精彩內容歡迎關注公眾號：蔚知空間

❤❤❤

相關焦點

  • 「納米紙飛機」如何探索火星？
    火星上到底有什麼？未來，人類能不能移民火星呢？我們迫切想知道這些問題的答案。為了早日得到答案，2020年，美國宇航局將發射「毅力號」火星探測車，如果成功著陸火星，這將是火星地表上第四輛美國探測車。探測車是人類探索火星的先鋒，但是光靠它們是不夠的，以目前正探索火星的美國「好奇號」為例，它一天只能行駛20米，光靠這幾輛車，何時才能走遍火星呢？對此，美國宇航局的科學家們有了新的辦法。
  • 人類探索火星的腳步
    在人類還沒有發射飛行器，近距離觀察火星之前，人們只能憑想像認為火星是什麼樣子，19世紀之後有關火星的小說和電影就多了起來，如《火星入侵之日》為二十世紀福克斯電影公司出品的一部科幻電影，於1963年2月14日美國上映。人類發射的第一臺火星探測器是1961年前蘇聯連發射的，因為前蘇聯太空探索一開始是保密的，因而當時不知道前蘇聯的太空飛行器都看到了什麼？
  • 新年伊始，火星探索進入新階段，地外生命探索再登高峰
    21世紀10年代時期火星探測取得了長足的進步。2020年剛剛到來，各國爭相發出消息表示準備探索火星，未來十年火星探索將進入新的階段，並且可能也會給人類帶來一些令人振奮的消息，新階段不僅僅意味著對人類火星的探索，更意味著人類對「紅色星球」火星的生命的研究，這使地外生命的探索再次爬上了高峰。
  • 一種彎曲、懸浮的新材料 可能堅固到可以製造太陽帆
    事實上，未來的牽引車、抗癌物、救援行動的微型領路機器人也的確有可能由這種未來紙板製成。或者說得更具體一些，未來的微型機器人可以用一種氧化鋁「納米紙板」製造，它的重量不到千分之一克，但足夠堅固，可以彎曲而不斷裂。這是一種很好的隔熱材料，也就是說它在極端溫度下也能很好地隔熱。
  • 人類為何不停的探索火星的秘密？探索又帶來哪些前所未有的難題？
    火星的地形有高山、峽谷和平原和地球一樣多樣化火星可以說是沙漠行星它的地表遍布沙丘、礫石但火星重力較小地形尺寸與地球有著明顯的不同南北半球的地形有著很大的差異北半球是被熔巖填平的低原而南半球是充滿隕石坑的古老高地兩個半球之間以斜坡分隔沙塵懸浮在星球表面
  • 阿聯開始火星探索：阿拉伯世界的第一次高科技探索有何看點？
    這三次發射都定在火星距離地球最近的時候，這樣航程和燃料消耗可以最小；這種時機每26個月出現一次。阿聯在宇航科技和太空飛行器的設計製造方面可以說經驗非常有限，國家太空總署成立僅僅６年，現在開始涉足只有美國、俄國、歐洲和印度有成功經驗的領域，足以說明這個國家的太空探索壯志和抱負。
  • 火星基地首發 全新奧迪Q7的無畏探索精神於發布會體現得淋漓盡致
    正是因為對未知的好奇與勇敢探索，才支撐人類走到了今天。當對地球的探索日漸深刻，永不止步的人類開始將目光移出地球，投向火星，乃至宇宙。跟隨全新奧迪Q7探索的腳步，當地球上最接近火星地表的火星基地展現在屏幕上時，那顆探索之心瞬間被點燃。
  • 未來的火星探索:在火星呼吸15秒會失去意識甚至死亡!
    祖布林作為一位資深的火星領域研究專家，解釋了為什麼人類對火星的探索是未來太空探索的重要環節，只有人類才能看到、感受和觸摸這顆紅色星球，凝視思考周圍的環境
  • 未來探索火星必須克服高氯酸鹽對人體的傷害
    >火星上含量較高的氯酸鹽對於人體有極大危害　　【搜狐科學消息】據國外媒體報導，科學家發現火星地表普遍存在高氯酸鹽這種化學物質，高氯酸鹽的存在可能增加火星上存在微生物的可能性，但也會危害探索火星人員的健康。
  • NASA最新行星際探索任務:火星巖石帶回地球
    火星將是美國宇航局未來重點探索的行星　　在行星際飛行過程中，前往火星的往返任務在解決動力來源後就變得觸手可及，未來十年或者二十年內，科學家們就可以將火星巖石和土壤樣本帶回地球。根據的德國航空航天中心的物理學家沃爾夫岡·澤博爾特（Wolfgang Seboldt）介紹：「通過利用可靠的技術，火星物質樣本返回計劃在2020年以後將會變得更加成熟。」有研究表面，太陽能電池板功能的電力推進系統還可能加快火星間的往返進程，並最終應用於載人火星探索任務，贏得空間飛行過程中的時間，就意味著我們可以減少太空人在高能宇宙射線環境中暴露的時間，降低任務的危險程度。
  • 未來宇航探索的主要能源仍然是核動力
    中國航空報訊：太空探索飛行器的性能是由其動力源決定的這些鈽單元是一類相當不錯的飛船能源——NASA的「好奇」號火星探測器就使用了相似的設備。　　「NASA喜歡探索，我們不得不在一些極其遙遠、多塵、黑暗的地方和惡劣的環境中進行探索。」NASA位於俄亥俄州的格倫研究中心的核燃料專家June Zakrajsek在美國能源部（DOE）關於「毅力」號任務的短視頻中這樣說。「我們在宇宙環境中，太陽能不能一直為我們提供所需的能量。
  • 在火星上製造可呼吸氧氣?科學家發現新方法未來用於探索火星!
    我們知道，火星離地球很遠，所以能夠在火星上製造出可呼吸的空氣，可以節省從地球上一路運送氧氣的費用和精力。近日科學家發現了一種新方法，未來的火星探險者有可能自行產生氧氣。一個研究小組通過研究彗星發現了這種新的產氧反應。
  • 炎炎夏日「毅力號」將不負眾望 接力火星的探索任務
    美國航空航天局以在線民意調查的方式徵求公眾的最終意見。這個名字喚醒了宇宙探索的一個關鍵要素部分。美國航空航天局科學任務組長託馬斯祖爾布琴在最新的新聞上解釋道：「亞歷山大的加入抓住了宇宙探索的精神，就像以往的所有探索任務一樣，我們的探測器在執行時，在面臨挑戰的同時還要實現一些不可思議的發現。」
  • 美國發射「毅力」號火星車 將探索火星生命跡象
    新華社華盛頓7月30日電（記者譚晶晶）美國「毅力」號火星車30日從佛羅裡達州卡納維拉爾角空軍基地升空，前往火星尋找可能存在過的生命跡象。美國航天局直播畫面顯示，美國東部時間30日7時50分（北京時間19時50分），「毅力」號火星車搭乘的美國聯合發射聯盟公司「宇宙神5」型火箭發射升空。約1小時後，「毅力」號與火箭分離。
  • 火星探索,未來火星上的孩子們如何展望地球
    人類自從發明了航空航天技術以來，就一直沒有放棄對宇宙中其它可能存在生命的星球進行探索。火星是太陽系八大行星之一，有自己的繞行軌跡，距離地球最近的時候約有5500萬公裡。從1962年起，地球上的人們開始對火星進行了探索，逐漸揭開了火星什麼的面紗。
  • 中國探索火星方式前所未有！美國人：除美國外沒有國家能做到
    上世紀冷戰時期，人類的航天技術得到跨越式的進步，美國實行的阿波羅計劃實現載人登月，但是這並不能滿足人類對太空的探索，火星作為距離地球最近的行星之一，也是太陽系中另外一個有可能演化出生命的行星，受到人們的重視，各國都開始列出計劃，準備對火星進行探索。
  • 中國探索火星方式前所未有!美國人:除美國外沒有國家能做到
    上世紀冷戰時期，人類的航天技術得到跨越式的進步，美國實行的阿波羅計劃實現載人登月，但是這並不能滿足人類對太空的探索，火星作為距離地球最近的行星之一，也是太陽系中另外一個有可能演化出生命的行星，受到人們的重視，各國都開始列出計劃，準備對火星進行探索。
  • 詳訊：美國發射「毅力」號火星車 將探索火星生命跡象
    新華社華盛頓7月30日電（記者譚晶晶）美國「毅力」號火星車30日從佛羅裡達州卡納維拉爾角空軍基地升空，前往火星尋找可能存在過的生命跡象。美國航天局直播畫面顯示，美國東部時間30日7時50分（北京時間19時50分），「毅力」號火星車搭乘的美國聯合發射聯盟公司「宇宙神5」型火箭發射升空。約1小時後，「毅力」號與火箭分離。
  • 為節約成本，改變著陸火星的方式，卻開啟了人類探索火星的高潮
    眾所周知，火星探測任務是非常耗費財力的科學探索活動。能夠經得起火星表面鋒利巖石的割劃。探測器接近火星表面時，被氣囊包裹而墜向地面，經多次彈跳後平穩下來。這種著陸方式與之前的海盜號著陸方式相比明顯簡單很多，節省了很多成本。但事實證明，這種方式對於低重量的探測器，卻是更加高效的。
  • 扎堆探索火星，中、美、阿聯的探索有何不同？
    「希望」號將在距火星表面2萬至4萬公裡的軌道上環繞火星運行，大約每55小時繞火星運行一圈。「希望」號科學探測目標有四個：探索氧氣和氫氣從火星大氣中散逸出去的內幕；研究古今火星氣候之間的聯繫；尋找火星下層大氣與上層大氣之間的聯繫；構建最全面的火星大氣整體模型。