Tarnumhänge sind keine Fantasie mehr. Schall, Licht, Elektrizität und Wärme können Sie alle auf ihre eigene Art und Weise unsichtbar machen.

Seit der Antike haben sich Menschen die Fähigkeit zur Unsichtbarkeit vorgestellt, und auch heute noch taucht das Thema „Unsichtbarkeit“ häufig in literarischen Werken oder Videospielen auf – oft in Form von Magie oder Science-Fiction. Der Tarnumhang, den der Protagonist im weltberühmten Harry Potter trägt, erfüllt unsere Fantasie von einem Tarnumhang. Tatsächlich wurden bereits optische Tarnkappen entwickelt, die es dem Licht ermöglichen, durch den Körper „durchzudringen“. Darüber hinaus haben Wissenschaftler umfangreiche und eingehende Untersuchungen zur Unsichtbarkeit von Materie in unterschiedlichen physikalischen Umgebungen durchgeführt und verschiedene Arten von Tarnumhängen konstruiert, die unsere Vorstellungskraft absolut übersteigen.

Geschrieben von Xu Lei (Professor der Fakultät für Physik, Chinesische Universität Hongkong)

Unsichtbarkeit zu erlangen ist seit der Antike der Traum der Menschheit: Von Sun Wukongs Unsichtbarkeitstechnik in „Die Reise nach Westen“ bis hin zu Harrys Tarnumhang in „Harry Potter“ hat dieser Traum weltweit große Aufmerksamkeit erregt. Im engeren Sinne bedeutet Unsichtbarkeit einfach, für das bloße Auge unsichtbar zu sein. Im weiteren Sinne ist Unsichtbarkeit nicht auf das bloße Auge beschränkt, sondern bezeichnet die Unfähigkeit, durch eine bestimmte Erkennungsmethode (wie Radar oder Sonar) erkannt zu werden. Dies wird bei dieser Erkennungsmethode als Unsichtbarkeit bezeichnet. Die Erzielung von Tarnkappenverfahren ist für das Militär von großer Bedeutung. Beispielsweise können sich Tarnkappenflugzeuge und Tarnkappenschiffe lautlos Zielen nähern. Aus diesem Grund ist die Stealth-Technologie in verschiedenen Ländern zu einem Forschungsschwerpunkt im militärischen Bereich geworden. Mit der Entwicklung von Wissenschaft und Technologie wurden verschiedene Arten von Tarnumhängen in vielen verschiedenen physikalischen Bereichen erfolgreich realisiert und bleiben weiterhin ein Forschungsschwerpunkt in verschiedenen Bereichen. Was ist das Prinzip eines Tarnumhangs? Welche verschiedenen Arten von Tarnumhängen gibt es? Wie werden sie umgesetzt? Wenn Sie eines Tages einen Tarnumhang tragen könnten, welche Überraschung (Schock) würden Sie Ihrer Familie und Ihren Freunden bereiten? Wenn Sie sich für diese Fragen interessieren, wurde dieser Artikel sorgfältig für Sie vorbereitet.

Wie Tarnumhänge funktionieren

Um Unsichtbarkeit zu erreichen, müssen wir zunächst verstehen, warum wir sehen können. Eine häufige Situation ist, dass von einem Objekt reflektiertes oder gestreutes Licht in unsere Augen gelangt und uns ermöglicht, das Objekt zu sehen (wie in der folgenden Abbildung gezeigt):

Physiklehrbuch für die Mittelstufe (People's Education Press)

Wenn man dieses Prinzip kennt, kommt man unweigerlich auf eine kühne Idee: Wenn ein Kleidungsstück Licht vollständig absorbieren kann, ohne es zu reflektieren oder zu streuen, kann es dann unsichtbar werden? Wie wir alle wissen, absorbiert Schwarz Licht sehr gut. Wenn Sie einen superschwarzen Umhang tragen, der Ihren ganzen Körper bedeckt (wie auf dem Bild unten gezeigt), können Sie dann auf der Straße tun und lassen, was Sie wollen? So einfach ist die Sache allerdings nicht.

Standbilder aus „Batman Begins“

Obwohl Batmans schwarze Kleidung im obigen Bild das gesamte Licht absorbiert, entlarvt der Kontrast zum hellen Hintergrund Batman offensichtlich vollständig, sodass Unsichtbarkeit nicht allein durch Lichtabsorption erreicht werden kann.

Da die Reflexion, Streuung und Absorption von Licht den Standort eines Objekts verrät, stellt sich die Frage, wie es unsichtbar werden kann. Der Tarnumhang von Harry Potter gibt uns die richtige Vorstellung (wie unten gezeigt):

Standbilder aus „Harry Potter und der Stein der Weisen“

Auf dem Bild reflektiert und streut Harry Potters Tarnumhang das Licht nicht und absorbiert es auch nicht, sondern lässt das Licht auf seinem ursprünglichen Weg weiterlaufen, ohne in irgendeiner Weise beeinträchtigt zu werden. Wenn das Licht um Harry herum ungehindert durch seinen Körper dringen kann, ohne von irgendetwas beeinflusst zu werden, „verschwindet“ sein Körper aus dem Nichts – wir können die Wand hinter ihm deutlich sehen, aber seinen Körper nicht. Daher besteht das Grundprinzip beim Entwurf eines Tarnumhangs darin, sicherzustellen, dass die Lichtausbreitung nicht durch Objekte beeinträchtigt wird.

Obwohl das Prinzip einfach ist, gestaltet sich die Umsetzung schwierig: Da die meisten Objekte undurchsichtig sind, kann Licht sie nicht durchdringen und sich nicht weiter ausbreiten. Wie kann verhindert werden, dass das Licht durch Objekte beeinflusst wird? Die aktuelle Grundidee besteht darin, eine Materialschicht mit einer speziellen Struktur zu entwerfen, die das Objekt umhüllt. Dieses spezielle Material ermöglicht es dem Licht, das Objekt zu umgehen und sich entlang des ursprünglichen Ausbreitungspfads weiter auszubreiten (wie in der Abbildung unten gezeigt). Diese besondere Materialstruktur ist der Tarnumhang.

GIF-Quelle: gfycat.com

Wie lässt man Licht um ein Objekt herum strahlen? Der übliche Ansatz besteht darin, den erforderlichen Brechungsindex zunächst theoretisch zu berechnen und dann ein Material mit diesem Brechungsindex zu finden, um ihn experimentell zu realisieren. Eine wichtige theoretische Berechnungsmethode ist die Transformationsoptiktheorie, die Professor John Pentry vom Imperial College London und seine Mitarbeiter im Jahr 2006 vorgeschlagen haben. Der Schlüssel liegt darin, mithilfe einer Koordinatentransformation einen Punkt mit Nullvolumen in einen Bereich mit einem Volumen ungleich Null zu transformieren und das Objekt in diesem speziellen Bereich zu verbergen. Da ein Punkt mit Nullvolumen keinen Einfluss auf die Lichtausbreitung hat, weist der daraus transformierte Spezialbereich ebenfalls ähnliche Eigenschaften auf, wodurch der Effekt entsteht, dass das Licht das Objekt umgeht. Die spezifischen Brechungsindexparameter können aus der Koordinatentransformation gewonnen werden, wie in der folgenden Abbildung dargestellt:

Professor John Pentry

Räumliche Transformation: Umwandlung eines Punktes in eine Fläche

Das Wesentliche an einem Tarnumhang ist also, einen Bereich zu schaffen, den das Licht umgeht und in dem sich Objekte verbergen, wodurch Unsichtbarkeit erreicht wird. Experimentell lässt sich diese Methode bereits umsetzen, indem man beispielsweise durch mehrere Linsen einen Bereich erzeugt, der vom Licht vollständig umgangen wird. Wenn ein Objekt in diesem Bereich platziert wird, kann es von der Außenwelt überhaupt nicht erkannt werden. Was denken Sie? Dieser spezielle Raum kann als Versteckspiel-Tool betrachtet werden, nicht wahr? Möchten auch Sie es besitzen und damit mutige Pläne umsetzen?

Bildquelle: Choi, JS, & Howell, JC Optics Express (2014)

Implementierung verschiedener Arten von Tarnumhängen

Obwohl dieser durch Linsen geschaffene unsichtbare Raum möglich ist, ist er weitaus weniger praktisch und praktisch als ein Tarnumhang, der ein Objekt durch einfaches Abdecken unsichtbar machen kann. Um einen Tarnumhang wie den von Harry Potter zu entwickeln, müssen wir in der Lage sein, die Ablenkung des Lichts zu kontrollieren und es nach Belieben um Objekte herum zu lenken. Diese Art der Ablenkung kann in natürlichen Materialien im Allgemeinen nicht erreicht werden und ist nur mit Materialien mit negativem Brechungsindex erfolgreich realisierbar. Um einen negativen Brechungsindex zu erreichen, wird ein spezielles Material benötigt: Metamaterial.

Metamaterial mit negativem Brechungsindex. Bildquelle: Wikipedia

Metamaterialien sind in der Regel keine natürlichen Materialien, sondern künstliche Materialien, die durch die Gestaltung funktionaler Elemente und die spezielle räumliche Anordnung von Elementen aufgebaut werden. Es kann viele neue und außergewöhnliche physikalische Eigenschaften aufweisen und wird in vielen Bereichen wie Optik, Mechanik, Akustik usw. häufig verwendet, beispielsweise als optische Materialien mit negativem Brechungsindex, als mechanische Materialien mit negativer Poissonzahl, als akustische Schallabsorptionsmaterialien usw.

Links: Metamaterial mit negativem Index. Rechts: Gängige Materialien mit positivem Brechungsindex. Bildnachweis: Dolling et al., Optics Express, 2006.

(1) Unsichtbarkeitsumhang gegen elektromagnetische Wellen

Mithilfe von Metamaterialien gelang es Wissenschaftlern im Jahr 2006 erstmals, einen Tarnumhang für elektromagnetische Wellen im Mikrowellenfrequenzbereich zu entwickeln (siehe Abbildung unten). Mikrowellen sind elektromagnetische Wellen wie sichtbares Licht, ihre Wellenlängen liegen jedoch in einem längeren Bereich (Millimeter bis Meter). In den von uns verwendeten Mikrowellenherden werden üblicherweise elektromagnetische Wellen in diesem Bereich zum Erhitzen von Nahrungsmitteln verwendet. Obwohl dieser Tarnumhang bei sichtbaren Lichtwellenlängen überhaupt nicht „unsichtbar“ zu sein scheint, ist er bei bestimmten Mikrowellenwellenlängen (3,5 cm) unsichtbar und die Objekte darin sind ebenfalls verborgen und können von Mikrowellen mit einer Wellenlänge von 3,5 cm nicht erkannt werden.

(a) Struktureller Aufbau eines unsichtbaren Umhangs für Mikrowellen. (b) Numerische Simulation eines Tarnmantels, die zeigt, wie sich Mikrowellen nach dem Durchdringen des Mantels weiter ausbreiten. (c) Die experimentellen Ergebnisse stimmen mit den Simulationsergebnissen überein. Bildquelle: D. Schurig, et al., Science, 314, 977 (2006)

Nach den Tarnmänteln für Mikrowellen haben Wissenschaftler auch Tarnmäntel für sichtbares Licht entwickelt, und zwar in vielen unterschiedlichen Ausführungen. Ein gängiges Design ist ein teppichartiger Tarnumhang: Er kann ein Objekt unter einem teppichartigen Unsichtbarkeitsgerät verbergen und für Beobachter in der Nähe ist der Effekt wie bei einem flachen Boden, wodurch das Objekt unsichtbar wird. Das Konstruktionsprinzip besteht im Wesentlichen darin, das Licht, das auf das Objekt treffen sollte, durch spezielle Spiegel oder versteckte Vorrichtungen zu reflektieren oder zu brechen, sodass es das Objekt umgeht und sich entlang des ursprünglichen Pfades ausbreitet.

Bildquelle: wikimedia

Bildquelle: IOA

(2) Optischer Tarnumhang

Mithilfe dieses Designs gelang es Wissenschaftlern im Jahr 2009, einen optischen Tarnumhang in Teppichform herzustellen (siehe Abbildung unten). Wenn kein Tarnmantel vorhanden ist, streut das Objekt das Licht in alle Richtungen (Bild unten links). Sobald jedoch der Tarnmantel angelegt ist, ist die Ausbreitungsrichtung des Lichts genau die gleiche wie bei einem glatten Boden (Bild unten Mitte): Beobachter aus der Ferne werden fälschlicherweise denken, dass nur der Boden und kein Objekt vorhanden ist (Bild unten rechts), und so wird erfolgreich Unsichtbarkeit erreicht.

Bildquelle: Valentine, Jason et al. Nature Materials 8 (7), 568-571 (2009).

Beim Entwurf eines Tarnumhangs gilt außerdem ein sehr wichtiges praktisches Prinzip: Je dünner der Umhang, desto besser. Wenn man durch das Tragen eines dünnen Kleidungsstücks nahe am Körper unsichtbar werden könnte, wäre das natürlich bequemer und praktischer als eine schwere Rüstung. Basierend auf diesem Prinzip haben Wissenschaftler einen ultradünnen optischen Tarnmantel entwickelt: Indem sie die Oberfläche eines Objekts mit einer Schicht aus 80 Nanometer dicken Nanoantennen bedecken, kann diese Schicht aus Nanoantennen nicht nur die Richtung des reflektierten Lichts anpassen, sondern auch die Phase des reflektierten Lichts, wodurch das Licht wie eine glatte Ebene reflektiert wird und das Objekt als glatter Boden getarnt wird (siehe Abbildung unten). Diese Schicht aus ultradünnen Nanoantennen ähnelt offenbar sehr einem Tarnumhang, funktioniert jedoch nur mit einer bestimmten Lichtwellenlänge (730 nm). Um einen Breitband-Tarnumhang zu realisieren, der im gesamten sichtbaren Lichtband funktioniert, ist die aktuelle Technologie noch nicht ausgereift und die Wissenschaftler müssen weitere Anstrengungen unternehmen.

Bildquelle: Ni, Xingjie et al., Science 349.6254 (2015): 1310-1314.

Offensichtlich lassen fortschrittliche Wissenschaft und Technologie optische Tarnmäntel aus Film und Fernsehen allmählich Wirklichkeit werden. Stimmt es, dass Sie Ihr Leben jederzeit umkrempeln und Ihren Freunden Angst einjagen können, indem Sie einen optischen Tarnumhang anlegen? Kluge Leser könnten sagen: Selbst mit geschlossenen Augen kann ich am Geräusch von Schritten erkennen, wenn sich jemand nähert. Dies ist tatsächlich der Fall. Auch Schallwellen und Ultraschallwellen können zur Objekterkennung eingesetzt werden. Beispielsweise werden bei im Dunkeln fliegenden Fledermäusen, bei B-Ultraschalluntersuchungen, bei der Sonarortung von Fischen und U-Booten usw. Schallwellen oder Ultraschallwellen zum Erkennen von Objekten verwendet. Dementsprechend ist auch die Forschung an unsichtbaren Mänteln, die auf Schallwellen und Ultraschallwellen abzielen, in vollem Gange.

(3) Akustischer Tarnumhang

Das Grundprinzip der akustischen Tarnkappe ist dasselbe wie das der optischen Tarnkappe: Die akustische Tarnkappe kann dadurch erreicht werden, dass das Objekt keinen Einfluss auf die Ausbreitung der Schallwellen hat. Wie in der Abbildung unten gezeigt, haben Wissenschaftler einen akustischen Mantel aus Metamaterial entworfen und implementiert, der aus 16 konzentrischen Ringen besteht: Diese konzentrischen Ringe können Schallwellen so leiten, dass sie das zentrale Objekt umgehen und so akustische Unsichtbarkeit erreichen. Werden nur Gegenstände in das Schallfeld gestellt, so hat dies eine größere Auswirkung auf das Schallfeld (obere Bildreihe); Nach dem Hinzufügen des Tarnumhangs bleibt die Ausbreitung des Schallfelds jedoch im Wesentlichen unberührt (untere Bildreihe). Akustische Tarnkappen bieten zudem in vielen Bereichen sehr wichtige Anwendungsaussichten, beispielsweise bei der Antisonarerkennung von U-Booten und bei der Entwicklung von Schallschutzanlagen.

Bildquelle: Zhang, S., Xia, C., & Fang, N. (2011). Physical review letters, 106(2), 024301

(4) Andere Arten von Tarnumhängen

Gibt es neben optischen und akustischen Tarnumhängen noch weitere Tarnumhänge? Die Antwort lautet ja: Der thermische Tarnumhang ist auch eine gängige Art von Tarnumhang. Wie wir alle wissen, haben viele Objekte, einschließlich des menschlichen Körpers, eine andere Temperatur als die Umgebungstemperatur. Anhand dieser Temperaturdifferenz können Temperaturmessgeräte wie beispielsweise Infrarotdetektoren zur Objekterkennung eingesetzt werden. Daher können Wissenschaftler entsprechende Wärmemäntel entwerfen: Durch ähnliche Prinzipien können thermische Metamaterialien für die Wärmeflussausbreitungsgleichung entworfen und entsprechende Wärmemäntel hergestellt werden. Beim Tragen dieses thermischen Unsichtbarkeitsumhangs gleicht sich die Körpertemperatur der Hintergrundtemperatur an, wodurch thermische Unsichtbarkeit erreicht wird, wie auf dem Infrarotfoto unten gezeigt.

Bildnachweis: Adam Harvey

Inspiriert von den oben erwähnten Tarnmänteln konzentrieren sich aktuelle Forschungsschwerpunkte auf die Erzielung von Unsichtbarkeit in Strömungsfeldern. Der Tarnumhang für das Strömungsfeld zielt darauf ab, die Störung des Strömungsfelds durch das Objekt zu minimieren und es dadurch der Außenwelt unmöglich zu machen, das Objekt anhand der Änderungen im Strömungsfeld zu erkennen. Dieser Strömungsfeld-Tarnumhang wurde erstmals 2019 in einem Strömungsfeld aus porösem Medium realisiert, wie in der folgenden schematischen Darstellung gezeigt: Das Strömungsfeld ist gerade, wenn kein Objekt vorhanden ist (a), das Strömungsfeld wird gestört, nachdem das Objekt darin platziert wurde (b), und das Strömungsfeld kehrt zur Geradheit zurück, nachdem es mit einer Schicht Strömungsfeld-Tarnumhang bedeckt wurde (c). Dieser Strömungsfeld-Tarnmantel ist in den Bereichen Tarnung von Unterwasserfahrzeugen und Reduzierung des Unterwasser-Luftwiderstands von großer Bedeutung.

Bildquelle: J Park, JR Youn, YS Song, Physical Review Letters, 2019

Ebenso gilt: Je dünner der Strömungsfeldmantel ist, desto besser. Vor diesem Hintergrund hat unser Team (die Forschungsgruppe von Professor Xu Lei an der Chinesischen Universität Hongkong) den weltweit dünnsten unsichtbaren Umhang in Schalenform entwickelt. Unser Design kombiniert auf clevere Weise die innere Schicht des doppelschichtigen Stealth-Designs mit dem versteckten Objekt, wodurch das doppelschichtige Stealth-Design weiter auf eine einschichtige Tarnung reduziert wird und so der dünnste Flowfield-Stealth-Umhang entsteht – seine Dicke beträgt nur 0,3 % des versteckten Objekts in der Mitte. Wie in der folgenden Abbildung gezeigt: Theoretische Berechnungen zeigen, dass das Strömungsfeld gerade ist, wenn kein Objekt vorhanden ist (A), dass das Strömungsfeld verzerrt wird, nachdem das Objekt platziert wurde (B), und dass das Strömungsfeld wieder gerade wird, nachdem es mit unserem ultradünnen unsichtbaren Strömungsfeldmantel abgedeckt wurde (C). Numerische Simulationen zeigen ähnliche Ergebnisse (D, E, F). Das Experiment bestätigte außerdem, dass die Stromlinien gerade sind, wenn kein Objekt vorhanden ist (G), sich nach dem Platzieren des Objekts krümmen (H) und wieder gerade werden, wenn das Objekt mit unserem ultradünnen unsichtbaren Mantel bedeckt wird (I). Dieser ultradünne unsichtbare Umhang ist von großer Bedeutung, um Objekte im Nahfeld unsichtbar zu machen.

Bildquelle: Chen, M., Shen, X., & Xu, L. (2022). Die Innovation, 100263.

Zusammenfassung

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass es in der Natur verschiedene physikalische Felder gibt, wie etwa Lichtfelder, Schallfelder, Temperaturfelder, Strömungsfelder und so weiter. Als wirksame Mittel zur Erkennungsverhinderung können für unterschiedliche physikalische Bereiche verschiedene Tarnkappen entwickelt werden. Diese Umhänge können einzeln verwendet oder zu Superumhängen für Multiphysikfelder kombiniert werden. Während sich die Erkennungsmethoden ständig verbessern, nimmt auch die Forschung im Bereich der verdeckten Abwehr von Erkennungsmethoden zu. Welche neue schwarze Technologie wird daraus entstehen? Warten wir es ab!

Danksagung: Wir möchten Dr. Mengyao Chen und Dr. Xiangying Shen für die Bereitstellung von Materialien und Bildern für diesen Artikel danken.

Verweise

1. Choi, JS, & Howell, JC Optics Express, Bd. 22, Ausgabe 24, S. 29465–29478 (2014).

2. Gunnar Dolling, Martin Wegener, Stefan Linden und Christoph Hormann, Optics Express, Bd. 14, Ausgabe 5, S. 1842–1849 (2006).

3. D. Schurig et al., Science, 314, 977-980 (2006).

4. Valentine, Jason, et al. Nature Materials 8(7), 568-571 (2009).

5. Ni, Xingjie et al., Science 349, 6254, 1310-1314 (2015).

6. Zhang, S., Xia, C., & Fang, N, Physical review letters, 106, 024301 (2011).

7. J Park, JR Youn, YS Song, Physical review letters, 123, 074502 (2019).

8. Chen, M., Shen, X., & Xu, L. The Innovation, 3(4), 100263 (2022).

Produziert von: Science Popularization China

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