Thema: Unsichtbar: Forscher entwerfen Tarnkappe

[SiLæncer]

Ein Tarnmantel, der seinen Besitzer unsichtbar macht - wer hätte so etwas nicht gern im Kleiderschrank? US-Forscher haben den Traum jetzt wahrgemacht - bisher zwar nur theoretisch, aber die Herstellung des Wundermaterials soll schon bald beginnen.

Schon seit Jahrtausenden träumen die Menschen davon, einfach mal Urlaub zu machen von der schnöden Sichtbarkeit und einfach zu verschwinden - nicht wirklich natürlich, aber für die Augen der Zeitgenossen. In der Nibelungensage narrt Siegfried seine Feinde mit einer Tarnkappe, die eigentlich ein Mantel ist, der griechische Unterweltgott Hades kriegt von den Zyklopen einen unsichtbar machenden Helm, die "Fantastischen Vier" haben die Invisible Woman, und zuletzt ward Zauberlehrling Harry Potter dank eines Zauberfummels nicht mehr gesehen.

Jetzt haben Wissenschaftler den Traum wahr gemacht - zumindest theoretisch. In einer Studie, die in der Online-Ausgabe des Wissenschaftsmagazins "Science" veröffentlicht wurde, erklären die Forscher, wie man Licht und andere elektromagnetische Wellen um das verhüllte Objekt herumlenken könnte - und es so unsichtbar macht.

"Das ist keine Science Fiction", sagt John Pendry, Physiker am Imperial College in London und einer der Autoren der Studie. "Theoretisch ist alles möglich, was Harry Potter mit seinem Umhang anstellt." Die Forscher haben deshalb schon einmal prinzipiell geklärt, welche Eigenschaften ein solcher Tarnmantel besitzen müsste.

"Der Mantel würde wirken, als ob man ein Loch im Raum geöffnet hätte", erklärte David Smith von der Duke University, Mitglied des Forscherteams. "Das Licht und alle anderen elektromagnetischen Wellen werden um den Bereich herumgeleitet und kommen auf der anderen Seite wieder hervor, als ob sie durch nichts hindurch gegangen wären" - wie Wasser, das in einem Bach einen glatten Stein umfließe.

Bisher gibt es nur ein Problem: Das für den Mantel nötige sogenannte Metamaterial kann noch nicht hergestellt werden. Schon im Jahr 2000 hat ein Team um Smith theoretisch gezeigt, dass Metamaterialien präzise Wechselwirkungen mit Licht eingehen können. Jetzt haben die Forscher nach eigenen Angaben die Eigenschaften, die das Material für seine Tarnfunktion haben müsste, erstmals mathematisch genau beschrieben.

Die Theorie selbst sei relativ einfach, sagte Smith. "Das ist nichts, was man nicht auch schon vor 50 oder 100 Jahren hätte machen können." Allerdings sei das Rechenwerk erst angesichts der heutigen technischen Fähigkeiten von Bedeutung. "Erst jetzt können wir Metamaterialien mit den Eigenschaften herstellen, die wir benötigen", so Smith. An der Duke University arbeite man bereits daran, den exotischen Stoff zu produzieren.

Smiths Kollege David Schurig hat bereits praktische Anwendungen im Sinn. Neben den offensichtlichen Einsatzmöglichkeiten beim Militär und den Geheimdiensten - die Forschung wurde zum Teil vom US-Verteidigungsministerium finanziert - seien auch eine Reihe anderer Einsatzmöglichkeiten denkbar. "Man könnte elektromagnetische Wellen an störenden Hindernissen vorbeiführen", meint der Wissenschaftler. "Zum Beispiel an einer Raffinerie, die einem den schönen Blick auf die Bucht versperrt."

Auch die Kommunikation per Funk könne man verbessern, denn Radiosignale sind ebenso wie Licht elektromagnetische Wellen. Umgekehrt könne der Tarnmantel auch als Schutzschild wirken - was wiederum all jene freuen dürfte, die sich vor Elektrosmog fürchten.

Quelle : www.spiegel.de

[SiLæncer]

Forscher sind der Tarnkappe einen kleinen Schritt näher gekommen: Im Labor ist es gelungen, elektromagnetische Wellen um ein Objekt herumzulenken - so, als wäre an seiner Stelle nur leerer Raum.

Harry-Potter-Fans kennen den Trick, Cineasten auch und Freunde von Science-Fiction-Serien wie "Star Trek" sowieso: eine Technik, die Menschen und Objekte aller Art unsichtbar machen kann. In der realen Welt gestaltete es sich bisher äußerst schwierig, Dinge und Personen aus dem Hier und Jetzt zu bugsieren. Nun aber berichten Wissenschaftler über ein Experiment, das die Hoffnung auf eine echte Tarnkappe nährt: Erstmals wurden elektromagnetische Wellen mit Hilfe eines neuartigen Materials um ein Objekt herum gelenkt, anstatt von ihm reflektiert zu werden.

Die Tarnkappe der Forscher um David Schurig von der Duke University in Durham besteht aus einem Ring aus sogenannten Metamaterialien. Solche Materialien verdanken ihre Eigenschaften nicht ihrer chemischen Zusammensetzung, sondern ihrer speziellen Struktur - und unterscheiden sich darin von allem, was in der Natur vorkommt. In diesem Fall haben die Forscher einen Ring aus mehreren Lagen Kupferdraht und Glasfaserfolien konstruiert, der die auftreffenden elektromagnetischen Wellen um sich herumführt. Die Strahlung bewege sich "wie Wasser, das um einem glatten Stein herumfließt", erläuterte Schurig.

Mikrowellen statt sichtbares Licht

In ihrem Experiment verwendeten die Wissenschaftler allerdings nicht das für Menschen sichtbare Licht, sondern Mikrowellen, wie sie unter anderem von Radargeräten, Handys und Satelliten benutzt werden. Dennoch beweise der Versuch, dass das Prinzip funktioniert und die Entwicklung einer "echten" Tarnkappe eines Tages denkbar sei, so die Forscher, die ihr Experiment im Fachmagazin "Science" (Online-Vorabveröffentlichung) vorstellen.

Der darin benutzte zwölf Zentimeter durchmessende Ring und das in ihm verborgene Objekt "erscheinen für den Betrachter ähnlich wie leerer Raum", sagte David Smith, ein Mitglied des Forscherteams. "Die Tarnkappe reduziert sowohl die Reflexionen des Objekts als auch seinen Schatten."

Weiter Weg zum Harry-Potter-Tarnmantel

Das Team von der Duke University hatte die theoretische Grundlage der Technologie bereits im Mai vorgestellt. Sie habe das Potential, Gegenstände beliebiger Größe aus den unterschiedlichsten Materialien zum Verschwinden zu bringen. Bislang funktioniert die Tarnkappe allerdings nur in zwei Dimensionen. Die Wissenschaftler arbeiten nun daran, Objekte in allen drei Dimensionen unsichtbar zu machen.

Militärs dürften sich rege für die Technologie interessieren: Sie könnte Flugzeuge und Schiffe für gegnerisches Radar vollständig unsichtbar machen - wahrscheinlich auch für mögliche zukünftige Systeme wie das Passivradar oder das Rauschradar. Ob sich das Prinzip irgendwann auch für den Einsatz bei sichtbarem Licht realisieren lässt und damit Tarnmäntel à la Harry Potter möglich macht, können die Experten allerdings noch nicht sagen.

Denn dazu müsste das Material alle Wellenlängen des sichtbaren Lichts ablenken. Solche komplizierten Stoffe seien aber noch längst nicht entwickelt. "Noch ist unklar, ob wir jemals Gegenstände unsichtbar machen können, so wie man sich das vorstellt, wenn man an Harry Potters Mantel oder die Tarnvorrichtung bei Star Trek denkt", sagte Smith.

Quelle : www.spiegel.de

[Jürgen]

Eine vollkommne Umlenkung aller elektromagnetischen Felder um einen Gegenstand in allen Ebenen ist grundsätzlich unmöglich, eine teilweise Tarnung gegen ein eng begrenztes Spektrum dagegen ist ein alter Hut.

Aber selbst die Imitation einer einzigen ungestörten Wellenfront von einem anderen Ort ist prinzipiell nicht ohne Interferenzen, Wirbel oder andere Diskontinuitäten zu machen, insofern wird es zu jedem Tarnsystem stets auch geeignete Gegenmittel geben können.

So wie auch ein ideal gerundeter Stein im Fluss stets eine charakterische Störung erzeugt, die noch in einiger Entfernung erkennbar bleibt...

[SiLæncer]

Der Zauberumhang, der seinen Träger unsichtbar werden lässt, kam bislang nur in Science-Fiction- oder Fantasy-Romanen vor. Seit Mitte letzten Jahres wurden allerdings mit sogenannten Metamaterialien – Materialien, die im Gegensatz zu natürlichen Stoffen einen negativen Brechungsindex haben, elektromagnetische Wellen also nicht wie eine normale Linse bündeln, sondern zerstreuen – erste derartige Tarnvorrichtungen im Mikrowellenbereich zuerst theoretisch und dann auch praktisch konstruiert.

Bis ins ferne Infrarot bei 200 Terahertz hatte man die neue Technik vorantreiben können, doch eine Realisierung im sichtbaren Licht schien schwierig. Hierzu sind Strukturen im Nanometerbereich erforderlich. Forschern am Ames-Laboratorium, die auch zuvor die 200 THz erreicht hatten, gelang nun dieser Sprung: Costas Soukoulis entwickelte mit seinen Kollegen Stefan Lindner und Martin Wegener in Karlsruhe, wie sie in der aktuellen Ausgabe von Science berichten, ein gitterartiges Material aus Silber, das mit Löchern von 100 nm einen Brechungsindex von -0,6 bei Rotlicht von 780 nm Wellenlänge erreicht.

Damit lassen sich zukünftig flache Optiken konstruieren, die höher auflösen können, als es der Wellenlänge des verwendeten Lichts entspricht, aber eben auch Tarnvorrichtungen. Die begrenzte elektrische Leitfähigkeit ist allerdings ein Problem. Die "Anti-Linse" schluckt das Licht sehr stark und funktioniert im Gegensatz zu normalen optischen Linsen zudem nur in eine Richtung. Kristallines Metall mit dreidimensionalen statt flachen Strukturen und optischer Verstärkung wäre erfolgversprechender, doch bis zum papierdünnen Brillenglas oder dem wirklich funktionierenden Zauberumhang ist es noch ein weiter Weg.

Quelle : www.heise.de

[SiLæncer]

Neues Metamaterial macht unsichtbar

Wissenschaftler einer US-Universität haben ein neues Metamaterial vorgestellt. Diese Stoffe haben eine spezielle Oberfläche, die Licht nicht reflektiert, sondern um sie herum leitet. Ein Gegenstand, der mit einem solchen Stoff bedeckt ist, soll so unsichtbar werden.

Wenn Bilbo Beutlin die unliebsame Verwandschaft den Beutelhaldenweg heraufkommen sah, pflegte er seinen Ring auf den Finger zu streifen und zu verschwinden. Wenn Harry Potter in Schwierigkeiten steckt, wirft er sich seinen Zaubermantel über und wird unsichtbar. Was bisher dem Reich der Fantasie vorbehalten blieb, rückt in greifbare Nähe. Wissenschaftler in den USA haben erneut einen Stoff entwickelt, der Gegenstände für elektromagnetische Strahlen unsichtbar macht. Ihre Erkenntnisse beschreiben die Forscher um Ruopeng Liu in der aktuellen Ausgabe des renommierten US-Wissenschaftsmagazins Science.

Der Stoff bricht das Licht in einer Art und Weise, dass es erscheint, als sei das Objekt unter dem Stoff nicht da. Wenn ein Mikrowellenstrahl auf einen Spiegel trifft, werden die Wellen im gleichen Winkel, mit dem sie auftreffen, reflektiert. Eine Erhebung in dem Spiegel verändert das Reflektionsverhalten: Die Strahlen werden wird gestreut, damit wird die Erhebung sichtbar. Legen Liu und seine Kollegen jedoch den Tarnstoff über die Erhebung, werden die Wellen so reflektiert als sei der Spiegel eben und die Erhebung nicht vorhanden.

Teammitglied David R. Smith vergleicht das Phänomen mit den Luftspiegelungen auf einer Straße an einem heißen Tag. "Was man sieht, gleicht Wasser, das über der Straße schwebt, aber es ist eine Spiegelung des Himmels. Dabei verdeckt die Luftspiegelung die Straße. Im Prinzip erschaffen wir mit diesem neuen Tarnkappe eine künstliche Luftspiegelung."

Metamaterialien heißen solche Stoffe. Ihr Geheimnis ist die Oberfläche: Deren Strukturen, die sich tausendfach wiederholen, sind kleiner als die Länge der Wellen des sichtbaren Lichts (zwischen 400 und 700 Nanometer). Solche Oberflächen reflektieren auftreffendes Licht nicht, sondern leiten es um den Gegenstand herum. So erscheint es, als sei das Objekt nicht da.

Die Tarnkappe, die das Team der Duke Universität in Durham im US-Bundesstaat North Carolina entwickelt hat, besteht aus über 10.000 Glasfaserteilchen, die in Reihe angeordnet sind. Der Tarnstoff ist gelb und misst etwa 50 mal 10 Zentimeter. Er sehe allerdings "mehr aus wie ein gelber Badvorleger, als wie Harry Potters berühmtes Tuch", kommentierte Science - was in Anbetracht der Tatsache, dass der Stoff Gegenstände für Radar und möglicherweise auch für das Auge unsichtbar machen soll, etwas despektierlich wirkt. Welcher herkömmliche Badvorleger kann das schon?

Die Wissenschaftler um Liu hatten bereits 2006 ein ähnliches Material vorgestellt. Das neue ist ihren Angaben nach jedoch deutlich komplexer und funktioniert in einem breiteren Mikrowellenspektrum, möglicherweise sogar mit sichtbarem Licht.

Anwendungen gibt es für diese Entwicklung viele. So könnten Tarnkappen etwa die drahtlose Kommunikation verbessern, indem sie die Auswirkungen von Hindernissen eliminieren, oder als Schallschutz dienen. Daneben sind militärische Anwendungen denkbar - zu den Financiers der Forschungsprojektes gehören unter anderem der Rüstungskonzern Raytheon und die US-Luftwaffe.

Im Sommer 2008 hatten zwei Teams der Universität von Kalifornien in Berkeley zwei Metamaterialien vorgestellt, die ebenfalls Licht mit verschiedenen Wellenlängen umlenken und so Gegenstände verschwinden lassen sollen.

Quelle : http://www.golem.de/0901/64668.html

[SiLæncer]

Mathematiker der Universität Utah haben eine neue Tarnmethode entwickelt, die nicht nur U-Boote und Flugzeuge vor Sonar und Radarwellen verbirgt, sondern auch Gebäude vor Erdbeben und Küsten vor Tsunamis schützen könnte.

Die Mathematiker um Graeme Milton haben nach eigenen Angaben bewiesen, dass es rechnerisch möglich ist, Objekte jeder Form zu tarnen, die außerhalb eines Tarngerätes liegen - nicht nur gegenüber einer Wellenlänge, sondern gegenüber mehreren unterschiedlichen Wellenlängen. Ihre Arbeiten haben sie in Optics Express und den Physical Review Letters veröffentlicht.

Bislang arbeitet die Methode nur zweidimensional, Milton ist aber zuversichtlich, dass sich dies auch auf drei Dimensionen ausweiten lässt.

Die Wissenschaftler setzen dabei auf eine aktive Tarnung, nutzen also Geräte, die elektromagnetische Felder erzeugen, statt Metamaterialien. Milton hofft, mit seinem Ansatz auch größere Objekte tarnen zu können. Derzeit handelt es sich aber um rein mathematische und theoretische Untersuchungen.

Dabei zeigt sie mathematisch, dass es mit drei Tarnvorrichtungen möglich ist, in deren Mitte eine ruhige Zone zu schaffen, in der Objekte für ankommende Wellen praktisch unsichtbar sind. Dazu wird eine "destruktive Interferenz" erzeugt, ähnlich wie bei Geräuschblockern, die mit Gegenwellen arbeiten. Eine Tarnvorrichtung für Licht im sichtbaren Bereich sei noch unvorstellbar weit weg, so Milton.

Anwendungen macht Milton eher bei Wasserwellen aus, um beispielsweise eine Ölplattform oder Küstenabschnitte vor Tsunami-Wellen zu schützen. Denkbar seien auch Vorrichtungen, die Gebäude vor Erdbeben schützen sowie die Tarnung vor Radar und Sonar.

Größter Nachteil an der Methode sei indes, dass vorab genau bekannt sein muss, welche Frequenz und Amplitude eine Welle hat, räumt Milton ein. Daher sei es vermutlich notwendig, umfangreiche Sensornetzwerke aufzubauen, um entsprechende Daten zu generieren.

Quelle : www.golem.de

[SiLæncer]

"Jede hinreichend fortgeschrittene Technologie ist von Magie nicht mehr zu unterscheiden", lautet das dritte Clarkesche Gesetz, das der 2008 verstorbene Science-Fiction-Autor Arthur C. Clarke in seiner Essaysammlung "Profiles of the Future" formulierte. Oft zitiert, trifft es doch auf kaum ein Gebiet so gut zu wie das der so genannten Metamaterialien. Sie manipulieren Licht oder Radiowellen – also elektromagnetische Strahlung – in einer Weise, wie es die Wissenschaft noch vor einiger Zeit nicht für möglich gehalten hat. Und doch handelt es sich mitnichten um Magie, schreibt Technology Review in einem ausführlichen Report zum Thema in seiner Online-Ausgabe.

Metamaterialien sind eines der aufregendsten neuen Forschungsgebiete an der Schnittstelle zwischen Physik und Materialwissenschaft. Sie ermöglichen nicht nur schlagzeilenträchtige und absurd erscheinende Dinge wie Tarnkappen, sondern zunehmend auch praktische Anwendungen wie hochempfindliche Sensoren.

Die ungewöhnlichen Effekte von Metamaterialien beruhen dabei allesamt auf den bekannten physikalischen Gesetzen, die beschreiben, wie sich elektromagnetische Strahlung in Materie ausbreitet. Diese Strahlung besteht aus elektromagnetischen Wellen, in denen gleichzeitig ein elektrisches und ein magnetisches Feld schwingen. Trifft  sie auf ein Material, versetzen die Felder dessen Elektronen in Schwingungen. Die wirken wiederum auf die Felder zurück und beeinflussen dadurch, in welcher Richtung und mit welcher Geschwindigkeit sich die Strahlung in dem Material ausbreitet, wie sich ihre Wellenlänge verändert und ob ein Teil reflektiert wird.

Mehr zum Thema in Technology Review online:

    * Magie im Material

Quelle : www.heise.de

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Wissenschaftler in den USA haben eine Tarnvorrichtung entwickelt, mit der sie ein Metallstück unsichtbar machen können. Diese besteht nicht aus einem aufwendig hergestellten Metamaterial, sondern aus einem häufig in der Optik genutzten Mineral, das mit herkömmlicher Technik bearbeitet wurde.

Eine Gruppe von Forschern des Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge hat eine Tarnvorrichtung entwickelt, die Gegenstände unsichtbar machen soll. Anders als ihre Vorgänger lässt die Tarnkappe mehrere Millimeter große Gegenstände im sichtbaren Licht verschwinden, schreiben die Forscher um Baile Zhang in einem auf dem Dokumentenserver Arxiv veröffentlichten Preprint.

Statt komplexer Metamaterialien...

Seit mehreren Jahren arbeiten Wissenschaftler an sogenannten Metamaterialien, die das Licht umleiten. Dadurch sollen Gegenstände, die davon bedeckt werden, unsichtbar erscheinen. Bisher gelang das jedoch nur in begrenzten Frequenzen des optischen Spektrums und mit sehr kleinen Gegenständen. Hinzu kommt, dass diese Metamaterialien aus Silizium bestehen und ein hochkomplexes Muster aufweisen, was die Herstellung aufwendig macht.

Den MIT-Forscher hingegen sei es gelungen, diesen Effekt mit einem natürlichen Material zu erzielen, berichtet das US-Wissenschaftsmagazin Technology Review. Ihre Tarnkappe bestehe aus Kalzit - einem Material, das häufig in der optischen Industrie eingesetzt wird. Bei der Fertigung bedienten sie sich herkömmlicher Techniken aus der Optik. Dadurch sei die Tarnkappe einfach und günstig herzustellen.

... Tarnvorrichtung aus Kalzit

Die Forscher machen sich die ungewöhnlichen Brechungseigenschaften des Minerals zunutze. Sie konstruierten die Tarnvorrichtung aus zwei Kalzit-Stücken. Mit dieser gelang es ihnen, ein keilförmiges Metallstück, das 3,8 Zentimeter lang und in der Mitte 2 Millimeter hoch ist, unsichtbar erscheinen zu lassen, und zwar in einem Spektrum des sichtbaren Lichts von rot bis blau.

Für den Versuch platzierten sie Block und Keil in einen Behälter mit einer durchsichtigen Flüssigkeit. An der einen Seite des Behälters befestigten sie spiegelverkehrt eine Schablone, aus der der Schriftzug des MIT ausgestanzt war, auf der anderen Seite eine Kamera. Dann beleuchteten sie die Schablone mit einem roten, einem grünen und einem blauen Laser. Zunächst beleuchteten sie den Aufbau ohne Keil, so dass das Licht vom Grund des Behälters reflektierte und dann auf die Kamera fiel. Diese fing entsprechend ein Bild des vollständigen Logos auf.

Komplettes Logo trotz Keil

Anschließend legten sie den Keil auf den Boden des Behälters und leuchteten ihn so an, dass das M des Logos auf den Kiel fiel, I und T hingegen auf den Boden des Behälters. Das Bild der Kamera zeigte nur I und T, da das M vom Keil in eine andere Richtung gespiegelt wurde. Als nächstes legten sie einen Spiegel auf den Kiel. Die Kamera fing alle drei Buchstaben auf, aber verschoben. Schließlich legten sie den Kalzitblock auf den Keil. Dieser leitete den Laserstrahl so, dass die Kamera alle drei Buchstaben des Schriftzugs abbildete - als ob der Keil sich nicht in dem Behälter befand.

Ein Zaubermantel, wie ihn Harry Potter ihn in brenzligen Situationen überwirft, ist dieser Tarnblock jedoch noch nicht. Er funktioniert nur mit polarisiertem Licht und in der gegenwärtigen Form nur für eine bestimmte Blickrichtung. Die Forscher sind sich aber sicher, dass sie die Tarnvorrichtung so weiterentwickeln können, dass sie ein Objekt auch aus verschiedenen Blickrichtungen verschwinden lassen kann. Da Wasser Licht polarisiert, könne ihre Entwicklung "in ähnlichen Umgebungen" genutzt werden. Konkrete Anwendungen nannte sie dabei nicht.

Quelle : www.golem.de