Genom att använda standardteknik och innovativ ekonomi, lätta heliumballonger har börjat bära fjärrstyrda laboratorier till kanten av rymden och tillbaka, erbjuda affärscase för nya typer av vetenskapsuppdrag.

Det finns mer i tunn luft än vad man ser. Gaserna som omger vår planet sprider ljusvågor, dämpa deras ljusstyrka och blanda ihop deras färger, sett av de röda, apelsiner och lila synliga på himlen vid solnedgången.

Det gör jorden till en säker och naturskön tillflyktsort, men också en bullrig sådan för forskare som studerar dess omgivning.

"När man studerar atmosfären, höjden spelar roll, sa professor Klaus Pfeilsticker, en miljöfysiker specialiserad på fjärranalystekniker vid Heidelbergs universitet i Tyskland.

Atmosfären stör alla signaler som kan användas för att undersöka den. Detta suddar ut experimentella resultat och gör det särskilt svårt att fastställa vid vilken höjd luftfenomen utspelar sig.

Molekyler

Prof. Pfeilstickers forskning fokuserar på hur gaser påverkar miljön, använda heliumballonger för att undersöka vilka molekyler som finns ovanför oss, och hur de påverkar livet nedanför.

Hans arbete är centrerat kring halogenbaserade gaser, som verkar ofarliga vid första anblicken. Till exempel, dibrommetan och bromoform produceras av mikroalger i havet och deras kemiska bindningar reagerar så snabbt att de sällan driver långt från ekosystemen som släpper ut dem.

Men givet rätt medvind, de kan sväva 14 kilometer över haven och orsaka förödelse i ozonskiktet.

Fyra år sedan, Prof. Pfeilsticker koordinerade ett EU-finansierat forskningsprojekt kallat SHIVA för att visa att kortlivade halogenhaltiga gaser bryter ner lika mycket ozon som de föroreningar som förbjuds enligt Montrealprotokollet, ett internationellt avtal för att skydda ozonskiktet som gjordes 1987.

Denna skada balanseras av den naturliga hastigheten med vilken ozonreformen sker. Men eftersom klimatförändringarna värmer hav och luftströmmar, fler halogenföreningar skulle kunna svepa in i stratosfären och vidga hålet i ozonskiktet på sätt som vi inte kan kontrollera med regler.

SHIVA-konsortiet lyckades kvantifiera effekterna av dessa kortlivade gaser eftersom det kontrollerade resultaten på plats.

Projektpartners flög flygplan 12 kilometer högt för att samla in luftprover ovanför molnen och kalibrera sina markmätningar, men att specificera risken kommer att kräva ballonger på hög höjd.

Luften i ozonskiktet är för tunn för att flyga flyg genom, så det enda sättet att göra mätningar där är att spänna fast instrumenten på en raket eller under en ballong.

"Med hjälp av ett forskningsflygplan, SHIVA lyckades precis beta ozonskiktets nedre gräns, sa prof. Pfeilsticker. 'I slutet, djupare förståelse kommer att kräva fordon som kan stiga högre upp i stratosfären.'

Philipp Maier vid Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics i Tyskland hävdar att ballonger kan erbjuda den mest ekonomiska lösningen.

"Heliumballonger kan lyfta ett halvt ton vetenskaplig utrustning mer än 30 kilometer i luften, ' han sa. Det skulle föra instrument för kemisk analys rakt in i hjärtat av ozonskiktet.

Hittills, den främsta begränsningen för ballongmonterade observatorier har varit deras klumpiga manövrerbarhet. I princip, heliumballonger kan segla de hårda vindarna till vilken destination som helst över hela världen. I praktiken, att fånga rätt luftström innebär att ventilera ut mycket helium eller tappa massor av ballast, ett tungt material som används för att ge stabilitet när det flyter.

Den vetenskapliga utrustningen och otympliga kontrollerna tenderar att föra stratosfäriska ballonguppdrag till en oskriven nedstigning på några dagar, ibland skadar deras dyra nyttolast och väcker säkerhetsproblem nedanför.

Dr José-Luis Ortiz vid Institute of Astrophysics of Andalusia, Spanien, är övertygad om att tekniken för bättre styrning och säkrare landning finns. Utmaningen är att förpacka den i en säljbar produkt.

Två-ballongsystem

"Det finns smartare sätt att dyka och stiga, sa Dr Ortiz. "Tvåballongsystem där ena halvan kan expandera medan den andra förblir stel kan, till exempel, göra ballast föråldrad.'

Andra stegvisa framsteg kan öka flygtiden och göra ballongens nyttolast återanvändbar. Dr Ortiz nämner miniatyriseringen av elektroniska komponenter som ett exempel på hur gradvisa förbättringar gör ballonglaster lättare och billigare att montera. Hans partners har kontrollerat luftburna teleskop med samma Raspberry Pi-datachips som gör att hobbyister kan bygga hemmagjorda robotar.

Som en del av det EU-finansierade projektet ORISON, ett vetenskapligt konsortium ledd av Dr Ortiz har samarbetat med EY, den största revisionsbyrån i Europa. Tillsammans arbetar de med en affärsplan för flytande instrument till stratosfären.

'I dag, forskare som ger sig ut på ballonguppdrag måste bygga mycket av utrustningen själva, sa Dr Ortiz. ORISON har som mål att hyra ut fullt fungerande observatorier i andra hand, låta sina kunder fokusera på forskningen. Enligt Dr Ortiz, detta är jämförbart med affärsmodellen för många markbaserade teleskop.

Medan fyndflyg till stratosfären kan tilltala många forskningsområden, ORISONs första målgrupp är astronomer. Projektpartners har provflygit uppdrag i år där de har tagit hundratals närkontaktfotografier med meteorer.

Flytande teleskop erbjuder stjärnskådare de uppenbara fördelarna med att höja sig över molnigt väder och förhindra att signaler absorberas i det ultravioletta och nära-infraröda. "Det är spännande att se vatten på andra planeter, sa Maier.