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Nanokarton-Flieger könnten die Marsatmosphäre erkunden

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Flotten winziger lasergesteuerter Flugzeuge ohne bewegliche Teile könnten zur Untersuchung der Marsatmosphäre eingesetzt werden, wie eine Gruppe an der Penn State University in den USA behauptet hat

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Die so genannten Nanokarton-Flieger, von denen jeder etwa so viel wie eine Fruchtfliege wiegt, schweben, wenn man sie mit hellem Licht bestrahlt. Wenn sich eine Seite der Platte erwärmt, lässt der Temperaturunterschied Luft durch ihre hohle Struktur zirkulieren, die aus den gewellten Kanälen, die ihr den Namen geben, herausschießt und sie vom Boden abstößt.

Laut einer Studie über die Technologie, die in der Zeitschrift Advanced Materials veröffentlicht wurde, würde die dünnere Atmosphäre in einer Marsumgebung den Fliegern einen Auftrieb geben und sie in die Lage versetzen, zehnmal so massive Nutzlasten zu transportieren, wie sie sind. Die schwächere Schwerkraft auf dem Mars würde ihre Fähigkeiten weiter verbessern.

Laut Igor Bargatin, dem leitenden Forscher des Projekts, könnte die Technologie eine Alternative zu komplexeren Sonden wie dem Mars-Hubschrauber bieten, die an Bord des NASA-Ausdauer-Mars-Rovers mitgeführt werden sollen.

"Der Mars-Hubschrauber ist sehr aufregend, aber er ist immer noch eine einzige, komplizierte Maschine", sagte Bargatin, "Wenn etwas schief geht, ist Ihr Experiment vorbei, da es keine Möglichkeit gibt, es zu reparieren. Wir schlagen einen ganz anderen Ansatz vor, der nicht alle Eier in einen Korb legt"

Bargatins Gruppe experimentiert und verbessert seit 2017 ihr Nanokartondesign. Inspiriert durch das übliche Verpackungsmaterial Papier arbeiteten sie mit Forschern des Singh Center for Nanotechnology zusammen, um ein rekordverdächtiges Verhältnis von Gewicht und Steifigkeit zu erreichen, wie in einem kürzlich erschienenen Nature Communications-Papier berichtet wird.

Wie Papierkarton und andere "Verbundwerkstoffe mit Sandwich-Struktur", die in der Architektur und Luftfahrt verwendet werden, stammen die Materialeigenschaften von Nanokarton aus der Wellpappe. Diese Wellung besteht aus einer hohlen Platte aus Aluminiumoxidwänden, die nur wenige Nanometer dick sind. Die Wellung ist ein regelmäßiges Muster von Kanälen, die die Platte überspannen und die Biegesteifigkeit erhöhen und die Ausbreitung von Rissen verhindern.

Diese Kanäle sind auch für die Fähigkeit der Platten, zu schweben, verantwortlich, da die Erzeugung eines Temperaturunterschieds einen Luftstrom erzeugt, der durch ihre hohle Struktur strömt.

Ihre jüngste Studie ermöglichte es den Forschern, dank einer neuen Niederdruck-Testkammer mit integrierten Kameras und Lichtquellen die Fähigkeit der Flieger zu messen, Schein-Nutzlasten - Silikonringe, die an der Oberseite der Platten befestigt sind - zu heben.

Die Untersuchung dieser Dynamik ist wichtig für die Prüfung des Potenzials von Nanokarton als Material für atmosphärische Sonden, insbesondere auf anderen Welten, darunter Mars, Pluto und Neptuns Mond Triton. Da Bargatins Nanokarton-Flieger etwa ein drittel Milligramm wiegen, bräuchte man mehr als eine Million davon, um die Masse des Mars-Hubschraubers zu erreichen, und mehr als sechs Milliarden, um die Masse des bodengebundenen Rovers zu erreichen, der ihn einsetzen wird.

Aber selbst in der idealen Umgebung der Marsatmosphäre wären die winzigen Flieger noch auf Sensoren und Nutzlasten von höchstens wenigen Milligramm beschränkt. Daher arbeitet Bargatin nun zusammen mit anderen Forschern daran, chemische Sensoren zu miniaturisieren, die Wasser oder Methan - Schlüsselsignaturen des Lebens auf dem Mars - aufspüren könnten.

"Zusätzlich zu den Sensoren", so Bargatin, "könnten unsere Flieger auch einfach landen und Staub- oder Sandkörner passiv an ihnen haften lassen und sie dann zurück zum Rover transportieren, so dass dieser nicht so weit reisen muss"

Der Rover könnte auch eine Möglichkeit bieten, die Nanokarton-Flieger zu steuern. Obwohl sie keine beweglichen Teile haben, können sie mit Hilfe eines punktgenauen Lasers gesteuert werden, da die Richtung der aus ihren Kanälen ausströmenden Luft davon abhängt, welche Teile der Platte erwärmt werden.