Technische Innovation

Tarnkappe: Neues Nano-Material macht Objekte unsichtbar

Britische Forscher haben eine Tarnkappe entwickelt, die dreidimensionale Objekte dank mehrerer Schichten von Nanopartikeln unsichtbar macht.

Von Star Trek bis Harry Potter – Tarnkappen sind eine faszinierende Technik, die wir bisher hauptsächlich aus Filmen kennen. Aber auch im echten Leben ist das Interesse an ihr groß. In den vergangenen Jahren gelang es verschiedenen Forscherteams, spezielle Materialien zu konstruieren, die einen dahinterliegenden Gegenstand für das menschliche Auge verschwinden lassen. Bei den meisten Methoden kommen dazu Linsen oder Metamaterialien zum Einsatz, deren Oberflächenstruktur ganz bestimmte Brechungseigenschaften aufweist. Die Wellen des Lichts werden dadurch so manipuliert, dass sie um das Objekt gebogen werden und dieses dadurch unsichtbar wird.

Bisher gelang dies allerdings nur für eine spezifische Wellenlänge – einen vollständigen Tarnkappeneffekt auch bei einem breiteren Wellenspektrum zu erreichen, stellt eine der größten Herausforderungen für die Wissenschaftler dar. Denn in einer natürlichen Umgebung besteht das sichtbare Licht aus einer großen Bandbreite an Wellenlängen, die alle einzeln manipuliert werden müssen. Genau das ist Forschern der Queen Mary Universität in London (QMUL) nun zum ersten Mal gelungen. Sie entwickelten eine Tarnkappe, die gewölbte Gegenstände vor einem ganzen Spektrum an elektromagnetischen Wellen verhüllt, indem sie diese flach erscheinen lässt.

Tarnkappe aus mehreren Nano-Schichten

Das revolutionäre Tarnmaterial basiert auf sieben verschiedenen Schichten von Nanopartikeln. Jede Lage dieses sogenannten Nanokomposits verfügt über unterschiedliche elektrische Eigenschaften. In der Kombination bewirkt diese Beschaffenheit, dass ankommende elektromagnetische Wellen, die sich an dem dreidimensionalen Objekt normalerweise brechen, dieses ohne jegliche Streuung durchdringen. „Unserem Konzept liegt die Lehre der Transformationsoptik zugrunde, auf dem auch die bisherigen Methoden für Tarnkappen beruhen“, erklärt Professor Yang Hao von der School of Electronic Engineering and Computer Science an der QMUL.

Die Wellenstreuung an der inaktiven Tarnkappe (links) und an der aktiven (rechts)
Die Wellenstreuung an der inaktiven Tarnkappe (links) und an der aktiven (rechts). Bilder: Antennas Electromagnetic Research Group – Dr La Spada – LinksRechts (Montage)

Durch seinen Schichtaufbau gelingt es dem Material, das Spektrum der Zentimeterwellen im Bereich von 8 bis 10 Gigahertz zu manipulieren. Dies stellt eine weit umfangreichere Bandbreite dar, als dies bei den bisherigen Methoden der Fall war: „Bislang zeigten die Forschungen, dass die Technik gut für eine einzelne Frequenz funktioniert“, erklärt Hao. Dass er und sein Team nun demonstrieren konnten, dass ihre Technik in einem breiteren Spektrum funktioniert, stellt einen neuen Meilenstein in der Entwicklung der Tarnkappen-Technik dar.

Einsatzbereiche von Luftfahrt bis Medizin

Dadurch werde ihre Methodik für diverse Anwendungen interessant, etwa im Bereich der Nano-Antennen oder Luftfahrt-Technik, so Hao. Auch bei der Entwicklung fortschrittlicher Mikrowellen sowie optischer Systeme für die Werbeindustrie könnte die Technik zum Einsatz kommen. Nach Einschätzung einiger Wissenschaftler könnten Tarnkappen künftig sogar in der Medizin Verwendung finden, wo sie Chirurgen ermöglichen würden, während einer Operation durch ihre eigenen Hände hindurch zu sehen.

Tarnmaterialien arbeiten häufig mit Nano-Beschichtungen.
Tarnmaterialien arbeiten häufig mit Nano-Beschichtungen. Bild: UC Berkeley Xiang Zhang

Damit die Technik jedoch auch größere Objekte oder sogar einen ganzen Menschen unsichtbar machen kann, ist noch eine Menge Forschungsarbeit notwendig. US-Forscher haben im letzten Jahr zwar erstmals ein ultradünnes Tarnmaterial entwickelt, hinter dem theoretisch beliebig große Gegenstände verschwinden könnten. Entscheidender Nachteil der Tarndecke ist, dass sie nur funktioniert, solange sich die Gegenstände nicht bewegen.

Die Grenzen der Tarnkappen

An welche physikalischen Grenzen die aktuellen Tarnkappen-Technologien stoßen, haben Forscher der University of Texas in Austin vor kurzem aufgezeigt. Mit seinem Team entwarf Andrea Alù, Professor für Elektro- und Computertechnik und einer der führenden Wissenschaftlern auf dem Gebiet der Tarnkappen, ein quantitatives Framework: Aus diesem geht die optimale Leistung verschiedener passiver Tarnmethoden für Objekte verschiedener Größe und Beschaffenheit hervor. In seiner Arbeit weist Alù darauf hin, dass das Unsichtbarmachen von großen Gegenständen – geschweige denn einer ganzen Person – mit Hilfe der bisherigen Methoden theoretisch nicht möglich sei.

Einen ganzen Menschen unsichtbar zu machen, ist laut Forschern nicht möglich.
Einen ganzen Menschen unsichtbar zu machen, ist laut Forschern nicht möglich. Gif: Giphy – Foreverkailee

 

Nichtsdestotrotz sind Professor Yang Hao und sein Team von der QMUL davon überzeugt, mit ihrer Entwicklung eine neue Tür sowohl für die Wissenschaft, als auch für verschiedene industrielle Einsatzbereiche geöffnet zu haben: “Wir haben die praktische Möglichkeit demonstriert, Nanopartikel zur Kontrolle der Wellenausbreitung auf einer Oberfläche mithilfe von fortschrittlicher Additivtechnologie zu nutzen”, erläutert Studienleiter Luigi La Spada. Noch wichtiger sei allerdings, dass der beschriebene Ansatz auch für andere physikalische Phänomene, die mittels Wellengleichung beschrieben werden, einsetzbar ist – etwa für die Akustik. Weitere Details zu dem Nanopartikel-Material wurden bis dato jedoch nicht veröffentlicht. Es ist aber davon auszugehen, dass die Forscher diese Informationen noch eine Weile zurückhalten, um die Technologie zuerst patentieren zu lassen.

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