Wie weit sind aktive Unsichtbarkeitsumhänge?

  • 2019

Die Universität von Texas in Austin Trotz der Harry Potter-Schlagzeilen Inspiriert wurden die Bemühungen der letzten Jahre, einen echten Unsichtbarkeitsmantel zu schaffen, als einfache Beweise für das Konzept. Es sind Laborexperimente und nicht die Art von Dingen, die einen lästigen jungen Zauberer, der in einer Bibliothek lauert, verdecken könnte, geschweige denn ein Soldat auf dem Schlachtfeld. In diesen frühen Erfolgen sehen einige Wissenschaftler jedoch das Potenzial für eine aktive Tarntechnologie, durch die Objekte in Sichtweite liegen.

Laut dem Forscher der University of Texas, Andrea Alù, könnte ein batteriebetriebener (oder aktiver) Mantel aus Metamaterialien verhindern, dass ein Breitband-Funksignal von einem Ziel abstreut. Dies ist ein wichtiger Schritt, um Objekte für das menschliche Auge nicht erkennbar zu machen.

Metamaterialien sind künstliche Materialien, die das elektromagnetische Spektrum auf seltsame Weise beeinflussen können. Die Wissenschaft, sie zu bauen und ihre entstehenden Eigenschaften zu erschließen, steckt noch in den Kinderschuhen. Alù und sein Team arbeiten beispielsweise nur mit nicht sichtbaren Wellenlängen. Metamaterialien eignen sich jedoch bereits in diesem frühen Stadium für interessante militärische Anwendungen, z. B. bessere Anti-Radar-Tarnung und Antennen, die sich nicht gegenseitig stören.

"Unsere Gruppe war die erste, die theoretisch zeigte, dass Metamaterialien einen realistischen Weg in Richtung Unsichtbarkeit und Täuschung bieten können", sagt er. "Wir arbeiten jetzt daran, breitbandige Mäntel experimentell zu beweisen" - mit einer Abdeckung für eine große Frequenzspanne - "für Radiowellen und getarnte Antennen. Diese Möglichkeiten sind in den kommenden Monaten in Reichweite."

Negative Refraktion

Die Idee hinter Metamaterialien begann mit dem russischen Physiker Victor Veselago. Im Jahr 1967 stellte Veselago fest, dass natürliche Objekte Licht in eine bestimmte Richtung lenken. Sie sehen diesen positiven Brechungsindex, wenn Sie einen "krummen" Stift durch ein Glas Wasser betrachten. Er stellte sich dann eine Linse mit einem negativen Brechungsindex vor. In einem solchen Fall würde sich das Licht in die entgegengesetzte Richtung verbiegen - der halb untergetauchte Stift würde V-förmig aussehen.

Das ist der Schlüssel zum Unsichtbarkeitspotenzial von Metamaterialien. "Wir könnten ein Negativ-Brechungsindex-Metamaterial in Kombination mit einem normalen Material verwenden, um das Licht um ein Objekt herum zu biegen", sagt Mark Swihart, Professor an der University of Buffalo, der mit den Nanopartikeln arbeitet, aus denen Metamaterialien bestehen.

Die Realität im Labor war jedoch viel bescheidener. Im Jahr 2006 gelang es dem Physiker der Duke-Universität David Smith, Mikrowellen um Arrays von speziell entworfenen Kupferringen zu biegen. Ein Jahr später verwendete ein Team der University of Maryland konzentrische Goldringe, die mit transparentem Polymethylmethacrylat beschichtet waren, um das Licht zu biegen. Dies war jedoch polarisiertes Cyanlicht, das von einer optischen Faser auf die Oberfläche injiziert wurde - es war nicht das gesamte sichtbare Spektrum. Beide Experimente wurden in 2D durchgeführt. (Smith sagt, er arbeite jetzt an einem anspruchsvolleren 3D-Mantel.) Bislang, so Swihart, funktionieren die Metamaterialien, die für sichtbare Wellenlängen des Lichts arbeiten, "in extrem dünnen Filmen auf kleinen Flächen". Der Mantel der University of Maryland zum Beispiel war dünner als ein menschliches Haar.

Für Alù ist das nie gut genug. Sein Team hat kürzlich in Physical Review X einen Artikel veröffentlicht, in dem er argumentiert, dass "echte Unsichtbarkeit nicht mit einem passiven Mantel erreicht werden kann, unabhängig von der verwendeten Technik, wenn nicht in einem engen Wellenlängenbereich."

Das Problem bei passiven oder nicht angetriebenen Metamaterialien besteht darin, dass sie Licht streuen, wenn sie versuchen, ein breites Spektrum abzudecken. Infolgedessen schlägt der Mantel nach hinten los. "Bei bestimmten Frequenzen können passiv verhüllte Objekte tatsächlich transparent werden. Wenn sie jedoch mit weißem Licht beleuchtet wird, das aus vielen Farben besteht, werden sie mit dem Mantel zwangsläufig sichtbarer als ohne", sagt Alù.

Ein weiteres Problem, sagt Smith, besteht darin, dass Materialien, die für passive Mäntel verwendet werden, eine Welle abschwächen oder reduzieren, wenn sie durch sie hindurchgeht. "Es ist ein ziemlich schwerwiegendes Problem. Wenn Sie versuchen, einen großen Mantel aufzubauen und einen großen Mantel zu bauen, und vor allem, wenn dies bei der optischen Wellenlänge versucht wurde, würde dies so aussehen, als würde etwas Ihre Energie absorbieren, so dass Sie nur einen großen Schatten sehen würden."

Engagierter Umhang

Der Weg nach vorne ist Aktivumhang, sagt Alù. Sein eigener Ansatz kombiniert eine dünne, flexible Beschichtung aus leitfähigem Metamaterial mit einer Batterie, einer Schaltung und einem Verstärker. Wenn der elektrische Strom im Mantel durch eine elektromagnetische Welle angeregt wird, strahlt er eine Welle aus, die derjenigen entgegengesetzt ist, die das Objekt streut, und hebt es auf. Dies erweitert die Frequenzabdeckung des Mantels. In der Tat seien Aktivmäntel aus heutiger Sicht ein heißes Forschungsthema, stellt Smith fest und bemerkt die Parallelarbeit eines anderen Wissenschaftlers, George Eleftheriades an der Universität von Toronto.

So vielversprechend seine Forschung auch ist, auch Alù arbeitet nicht mit sichtbarem Licht. Die University of Texas, deren Forschung teilweise vom US-Luftwaffenamt für wissenschaftliche Forschung und der Defense Threat Reduction Agency finanziert wird, sieht jedoch andere militärische Anwendungen für Metamaterialien.

Betrachten Sie Stealth-Flugzeuge, die vom Radar aufgrund ihrer Form, die das Signal vom Radarempfänger weg streut, schwer zu erkennen sind. Diese Art der Umgehung funktioniert jedoch nur, wenn der Radarsender und -empfänger monostatisch ist oder sich an derselben Stelle befindet. Im Gegensatz dazu ist das passive Radar für den Empfang nur bistatisch und verwendet andere Techniken, beispielsweise die Nutzung von Opportunitätssignalen wie Radio und Fernsehen, um die Heimlichkeit zu besiegen.

Hier kommt die Tarntechnologie von Alù ins Spiel. Er sagt: "[O] Ihre Tarntechnologie kann bistatische Radars schlagen, da sie die Streuung in alle Richtungen aufhebt." Einfach gesagt, gibt es keine reflektierten oder gestreuten Signale, nicht einmal "Schatten", mit denen die Position des Stealth-Flugzeugs lokalisiert werden kann.

Er plant nun, ein weiteres Problem für das Militär in Angriff zu nehmen: "Signal Bruderbrüder" oder wenn freundliche Kräfte ihre eigene Kommunikation stauen. Dies kann passieren, wenn zu viele Antennen in einem Fahrzeug untergebracht sind. "Getarnte Antennen können für unsichtbar gemacht werden", sagt er, "selbst wenn sie sehr nahe beieinander angeordnet sind, um unerwünschte Interferenzen zu beseitigen und die Funkkommunikation zu verbessern."

Dies ist vielleicht nicht so umwerfend wie die Schaffung eines unsichtbaren Panzers, bedeutet aber eine allmähliche Eroberung des elektromagnetischen Spektrums.

Die Bandbreite - Es ist wieder so weit (Official Video) Video.

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