Солнечные шары представляют собой уникальный и удивительный вид воздушных аппаратов, которые поднимаются в воздух благодаря теплу солнечного излучения. В отличие от традиционных горячих воздушных шаров, где воздух нагревается внешним источником, внутри солнечного шара нагрев обеспечивается непосредственно солнечной радиацией, поглощаемой, как правило, черным или темным материалом оболочки. Это приводит к расширению воздуха внутри шара и снижению его плотности по сравнению с окружающей атмосферой, создавая подъемную силу, согласно принципу Архимеда. Такие шары уже давно привлекают внимание как любителей, так и ученых, поскольку они работают исключительно на возобновляемой солнечной энергии и не требуют применения дорогих или дефицитных газов для подъема. История солнечных шаров начинается в начале 1970-х годов, когда британский архитектор Доминик Майкллис изобрел и создал первый солнечный шар с прозрачной внешней оболочкой и темными внутренними стенками, способными поглощать тепло.
Это нововведение открыло новый этап в освоении солнечной энергии для летательных аппаратов. Человеческие полеты на чисто солнечных шарах начались вскоре после этого. В мае 1973 года Трейси Барнс совершил первый полет на таком аппарате, сделанном в форме тетраэдра. Позже известные пилоты, такие как Джулиан Нотт и Фредерик Эшу, продолжали развивать технологии и достигать все больших высот и дальностей полетов. Сегодня солнечные шары используются не только в развлекательных целях, но и как экологически чистое средство исследования атмосферы и даже как потенциальная платформа для исследования других планет.
Принцип работы солнечного шара основывается на теплообмене между наружным воздухом и нагретым внутренним воздухом внутри оболочки. Эффективность подъема напрямую зависит от разницы температур и, следовательно, от интенсивности солнечной радиации и качества поглощающего материала. Черные материалы обладают высокой эмиссией, до 95%, что позволяет максимально эффективно поглощать солнечное излучение. При этом площадь шара играет важную роль в суммарном получении энергии. Физика процесса позволяет оценить, сколько энергии шары могут получить и насколько быстро нагревается воздух внутри.
К примеру, шар с радиусом 5 метров и черной оболочкой может получить порядка 74 киловатт мощности в солнечный день. Это делает их привлекательными для длительных полетов, не зависящих от горючего. Однако существует и ряд ограничений. Солнечные шары чувствительны к погодным условиям и интенсивности солнечного света. Облака или плохая погода значительно снижают их эффективность и безопасность.
Для контроля высоты некоторые конструкции оснащены вентиляционными клапанами, которые позволяют сбрасывать горячий воздух для плавного спуска. Важным фактором является также мощность охлаждения через конвекцию и излучение, которая может влиять на устойчивость температуры внутри шара. Еще одним вызовом является снижение подъемной силы с увеличением высоты, так как плотность окружающего воздуха падает. Солнечные шары нашли применение как в развлекательной сфере, так и в научных исследованиях. Например, в 2011 году из Французской антарктической станции был запущен 100% солнечный метеорологический шар, который достиг высоты около 14 километров.
Этот опыт показал, что солнечные шары могут использоваться в труднодоступных районах, исключая необходимость транспортировки и использования гелия или водорода – традиционных подъемных газов. Такие аппараты значительно упрощают проведение атмосферных измерений и исследований климата. В последние годы интерес к солнечным шарам расширился благодаря исследованиям, связанным с планетарной наукой и освоением космоса. Например, знаменитая лаборатория JPL в Калифорнийском технологическом институте провела несколько исследований, рассматривая возможность применения солнечных шаров для исследования атмосферы Марса, а также гигантских планет, таких как Юпитер и Сатурн. Такие аппараты могут стать эффективным способом изучения условий внешних планет без необходимости использования сложных топливных систем.
Особую группу составляют так называемые шары типа Монтгольфье, которые не только нагреваются солнечным светом, но и дополнительно получают тепло от инфракрасного излучения поверхности планеты. Это особенно рассматривается в контексте венерианской атмосферы, где плотная атмосфера и высокая температура могут помочь в длительном поддержании подъемной силы без использования топлива. Такие технологии открывают двери для новых типов аэростатов и воздушных роботов, которые могут работать в условиях, ранее считавшихся неприемлемыми для легких летательных аппаратов. Безопасность при использовании солнечных шаров играет важную роль. Необходим тщательный план полета и зачастую требуется разрешение авиационных властей.
Полеты с людьми сопряжены с рисками, особенно если внезапно появляются облака или изменяются погодные условия, поскольку в отличие от обычных горячих воздушных шаров, подкрепленных топливом, солнечные шары обходятся без дополнительного источника нагрева. Это делает важным использование балласта и оснащение аппаратуры для управления высотой и спуском. На сегодняшний день солнечные шары остаются привлекательным объектом для исследователей и энтузиастов во всем мире. Они обладают потенциалом революционизировать способ подъема в воздух, сочетая экологичность, экономичность и возможности для научных открытий. Благодаря развитию современных материалов и систем управления они могут стать незаменимой частью научных экспедиций, экологического мониторинга и, возможно, даже космических миссий в недалеком будущем.
Инновационные проекты и международное сотрудничество в этой области продолжают расширять горизонты солнечных аэростатов, открывая новые перспективы, которые еще совсем недавно казались фантастикой.
