La mésosphère, une partie de l’atmosphère terrestre située entre la stratosphère et la thermosphère, représente une zone d’intérêt pour les scientifiques atmosphériques, car des appareils de mesure situés à cette altitude pourraient fournir des données plus précises sur la dynamique météorologique. Malheureusement, l’air circulant au sein de la mésosphère est trop peu épais pour y faire voler des engins d’observation. Une équipe de physiciens américains a cependant peut-être trouvé une solution en montrant qu’il est possible de faire léviter des objets suffisamment minces grâce à la lumière.
Une équipe de chercheurs de l’Université de Pennsylvanie a découvert qu’il est possible de faire léviter des disques très minces dans des conditions qui imitent la mésosphère, à l’aide de la lumière laser. Dans leur article publié dans la revue Science Advances, le groupe décrit ses recherches impliquant un moyen possible de permettre le vol à très haute altitude et son efficacité.
Les géophysiciens et climatologues aimeraient pouvoir envoyer des capteurs plus haut dans l’atmosphère que ce qui est maintenant possible. Cela permettrait de surveiller le flux d’air et peut-être d’améliorer les prévisions météorologiques. La zone d’intérêt est la mésosphère, une partie de l’atmosphère terrestre à environ 50 à 80 kilomètres au-dessus de la surface.
À ces altitudes, l’air est trop mince pour que les avions puissent voler ou pour que les ballons puissent l’atteindre — les seules options à l’heure actuelle sont les satellites et les fusées. Mais même ces approches présentent un problème : l’air est trop épais. Le frottement et la chaleur rendraient les vols de longue durée impraticables. Dans leur nouvelle étude, les chercheurs ont exploré une nouvelle façon de résoudre cette problématique — en utilisant la lumière pour maintenir des objets très légers en l’air.
Une lévitation contrôlée réalisée grâce à la lumière
L’approche de l’équipe de Pennsylvanie a consisté à construire des disques très minces en mylar, chacun de 6 millimètres de diamètre. Ils ont ensuite revêtu le fond des disques d’un film constitué de nanotubes de carbone. Les chercheurs ont testé leur idée en plaçant les disques dans une chambre à vide avec des pressions simulant celles de la mésosphère. Ils ont découvert que le fait d’utiliser des lasers ou de refléter la lumière du Soleil sur les disques les poussait dans les airs sur une petite distance, et qu’ils pouvaient diriger les disques en ajustant la lumière laser.
Vidéos montrant la lévitation contrôlée de deux disques via un piège lumineux à une pression de 30 Pa :
Les chercheurs expliquent que la lévitation n’était pas due à une poussée du laser, mais à la chaleur créée lorsque le laser frappait les nanotubes. Ils notent qu’une partie de la chaleur a été absorbée et une autre non. La chaleur frappant le fond des disques a été transférée d’une façon qui a entraîné une augmentation du nombre de molécules descendantes gagnant de la vitesse par rapport aux molécules ascendantes.
Le résultat est un mouvement ascendant du disque. Les chercheurs reconnaissent que leur travail est préliminaire — on ne sait pas si l’approche fonctionnerait pour des disques lâchés dans la mésosphère. En outre, plus de travail est nécessaire pour voir si les disques peuvent être mis à l’échelle à une taille qui serait utile.