工学：近宇宙環境における穴開き構造の光泳動飛行

軽量ナノ加工構造は、近宇宙空間で光泳動によってペイロードを浮上させることができる可能がある。提案されている構造は、マイクロスケールの工学設計エアロゾルから、表面適応係数の異なるセンチメートルスケールの薄い円盤、メートルスケール幅まで拡張できる可能のあるナノスケール厚のサンドイッチ構造まで多岐にわたる。実用的な飛行デバイスを開発するには、光泳動による浮揚力が構造特性や表面特性によってどのように決まるかを定量的に理解することが必要である。今回我々は、大型デバイスを浮上させる最も有望な光泳動機構として熱蒸散に焦点を絞り、2枚の穴開きメンブレンをわずかな間隔を空けて配置した構造で、それにかかる浮揚力をモデル化する解析–数値ハイブリッドモデルを提示する。我々は、大気高度に応じて、デバイスのサイズ、メンブレンの穴開き密度、2枚のメンブレンをつなぐ垂直の柱の分布など、最適な構造パラメーターを特定した。また、これらの最適なパラメーターを目標として、構造的剛性と光泳動力性能を効率的に折衷させる、不均一な柱の分布を有する構造を作製した。そして、3つの異なる分子量の気体を使用して、こうした構造によって発生する浮揚力が圧力にどのように依存するかを測定した。我々は、太陽光強度の約55％に相当する750 W m⁻²の照明下で、26.7 Paの空気圧下、1 cm幅の構造の光泳動による浮遊を観測した。さらに我々は、高度75 kmで10 mgのペイロード収容能力を有する半径3 cmのデバイスの予備的な設計を説明するとともに、水平運動制御や夜間の沈降の他、気候センシング、通信、火星探査への応用について論じる。

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