光をあてると浮遊する不思議ディスクが開発される　電池もプロペラもいらない!?

SFが現実になり、人類初の光駆動浮揚システムが開発されました。

2月12日に『Science Advances』に掲載された論文によれば、光を浮力に変換して重力圏内を飛行するディスクが開発されたとのこと。

信じがたい話ですが、論文が掲載された雑誌は権威のある『Science』系列であり、信ぴょう性は確かなようです。

しかし、いったいどんな仕組みで光を浮力に変えているのでしょうか？

光をあてると浮遊する不思議ディスク

現在、大気圏内で空を飛ぶために使われている仕組みは、飛行機のように動力を使うか、気球のように空気の比重を利用する方法がメインになっています。

しかし飛行機や気球の飛び方が上手くいくのは、空気の密度が比較的濃い成層圏（11km~50km）までであり、より高い位置にある中間圏（50km~80km）では通用しません。

中間圏の空気密度は、エンジンで空気を押し出す必要がある飛行機や、比重の差によって飛ぶ気球にとっては薄すぎます。

また、さらに上空を飛行する人工衛星にとっても、中間圏は飛行できない領域です。

遠心力で飛行する人工衛星にとって、中間圏の空気密度は、飛行の邪魔になる空気抵抗を発生させるのに十分な濃さだったのです。

そのため、人類にとって、中間圏は通過するだけの場所と考えられてきました。

しかし今回、アメリカ、ペンシルベニア大学の研究者たちにより、中間圏でも飛翔可能な光駆動浮揚システムを備えたマイクロディスクが開発されました。

ディスクは薄い樹脂でできており、直径は6mm、厚さは800nm（0.0008mm）と非常に小型です。

もちろん、これだけでは光をあてても浮きません。

ですが研究者たちがフィルムの底面に「カーボンナノチューブ」を塗装すると、光エネルギーを吸収して飛行能力を獲得したのです。

しかし、なぜカーボンナノチューブの塗装で、ディスクは浮遊能力を得たのでしょうか？

カーボンナノチューブは空気分子を加速して放出する

なぜ樹脂ディスクにカーボンナノチューブを塗ると浮くのか？

その理由はまず最初に、光が下から照らされると、底面に塗られたカーボンナノチューブは光を吸収して温度が周りの空気よりも高くなります。

このとき、周囲の空気分子が温められたカーボンナノチューブ塗装に触れると、塗装の熱が空気分子にもつたわって、空気分子のエネルギーはカーボンナノチューブからもらった温度のぶんだけ上昇します。

そして温度があがった分子は、運動エネルギーが増して動きが早くなります。

さらに加速した空気分子はカーボンナノチューブ塗装内部で乱反射を起こし、より多くのエネルギーを得て加速し、最終的には下方向に向けて逃げていきます（上方向はフィルムで塞がれている）。

つまり、下からの光が底面のカーボンナノチューブ層を加熱し、その熱が底面に触れた空気の運動エネルギーを増加させ、乱反射のすえ、下方向に向けての放出することでフィルムを浮かせられるのです。

移動方向の制御も可能

今回の研究により、中間層でも飛翔可能な光駆動浮揚技術が開発されました。

また今回の研究では、カーボンナノチューブ層にあてる光のバランスを調節することで、フィルムを特定の方向に進ませられることも示されました。

研究者たちは照射する光をレーザーなどに変更することで、未踏の中間層の持続的な調査ができると考えています。

（※なお本記事は2021年2月17日に公開されたものを再編集してお届けしています。）

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参考文献

Tiny, sunlight-powered aircraft could soar beyond airplanes’ reach
https://www.sciencenews.org/article/tiny-sunlight-powered-aircraft-could-soar-beyond-airplanes-reach

元論文

Controlled levitation of nanostructured thin films for sun-powered near-space flight
https://advances.sciencemag.org/content/7/7/eabe1127

ライター

川勝康弘: ナゾロジー副編集長。 大学で研究生活を送ること10年と少し。 小説家としての活動履歴あり。 専門は生物学ですが、量子力学・社会学・医学・薬学なども担当します。 日々の記事作成は可能な限り、一次資料たる論文を元にするよう心がけています。 夢は最新科学をまとめて小学生用に本にすること。

編集者

やまがしゅんいち: 高等学校での理科教員を経て、現職に就く。ナゾロジーにて「身近な科学」をテーマにディレクションを行っています。アニメ・ゲームなどのインドア系と、登山・サイクリングなどのアウトドア系の趣味を両方嗜むお天気屋。乗り物やワクワクするガジェットも大好き。専門は化学。将来の夢はマッドサイエンティスト……？