• Wie funktioniert eine Tarnkappe aus Metamaterial?
  • Wo liegen die Probleme bei der Unsichtbarkeit?
  • Was wird man in Zukunft damit machen können?

In den vorherigen Artikeln haben wir die Grundideen erläutert, wie man ein Material herstellen kann, das die Bahn des Lichtes im Prinzip nach Belieben manipuliert. Das ist somit der erste Schritt in Richtung Unsichtbarkeit. Wünschenswert wäre so etwas wie eine Hülle aus Metamaterial, sodass das Licht um das zu verbergende Objekt herum geleitet wird und es damit unsichtbar wird. Genau das funktioniert bereits in Experimenten, sofern man sich auf Licht einer bestimmten Wellenlänge beschränkt. Die folgende Abbildung zeigt, wie die Wissenschaftler diese Tarnkappe aufgebaut haben.

tarnkappeRingförmiger Aufbau einer Tarnkappe für Mikrowellen, Quelle: Photograph of FR4 cloak (by David Schurig), Meta Group

In dem Experiment verwendet man ein Metamaterial, welches mit Mikrowellenstrahlung wechselwirkt, da es bei diesen Wellen mit verhältnismäßig großer Wellenlänge (1 mm bis 300 mm) leichter ist, die Schwingkreise herzustellen. Der Aufbau ist hier keine Kugel, sondern ein Kreis, also ein zweidimensionales, vereinfachtes Experiment. Da das Metamaterial nicht homogen aufgebaut ist, sondern aus vielen kleinen Teilen besteht mit denen das Licht wechselwirkt, reicht es nicht eine einzelne Schicht zu verwenden. Man muss mehrere Schichten ringförmig anordnen, um möglichst alle eventuellen Richtungen des Lichtes abzufangen.

 UnsichtbarkeitLicht wird um die Orange herum geführt, das Auge sieht nur den Apfel dahinter, Unsichtbarkeit, Alexander Gorfer, (quant.uni-graz.at), CC-BY-SA 4.0

Mit dieser Anordnung gelang es bereits 2006 einen kleinen Kupferzylinder für Mikrowellen unsichtbar zu machen. Damals erkannte man drei große Probleme im Zusammenhang mit einem Unsichtbarkeitsmantel à la Harry Potter:

  1. Um „echte“ Unsichtbarkeit für das menschliche Auge, also im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums zu ermöglichen, muss das Metamaterial aus Nanobausteinen (typischerweise Nanoteilchen in der Größe von 30 nm - 70 nm) hergestellt werden.
  2. Wird die Lichtwelle vollständig um ein Objekt herum gelenkt, gibt es keine Wechselwirkung der elektromagnetischen Strahlung mit dem verhüllten Objekt. D.h. würde ein Mensch so eine Tarnkappe benützen, wäre man absolut blind im Inneren, da kein Licht von außen das Metamaterial durchdringen kann.
  3. Die beschriebene Methode funktioniert nur für einen sehr eingeschränkten Wellenlängenbereich des Lichts, z.B. für Laserlicht einer bestimmten Wellenlänge. Das sichtbare Licht reicht jedoch von ca. 380 nm bis 780 nm. An Lösungen für solche Breitband-Metamaterialien wird momentan geforscht, allerdings bedeuten mehr Wellenlängen automatisch schlechtere Unsichtbarkeit.

 

Ein Blick in die Zukunft

Wissenschaftliche Forschung wird selten durchgeführt, ohne zumindest eine ungefähre Idee davon zu haben, was man mit der erforschten Technologie später einmal anfangen will. Die möglichen Anwendungsbereiche von Metamaterialien sind sehr vielfältig und reichen von Medizin über Raumfahrt bis leider auch zum Militär. Wenn es uns irgendwann gelingt Licht-, oder z.B. auch Schallwellen nach Belieben zu lenken, eröffnen sich jedenfalls ungeahnte neue Möglichkeiten.

Medizin:

Viele moderne medizinische Untersuchungsmethoden basieren auf bildgebenden Verfahren wie zum Beispiel die Röntgenuntersuchung, die Ultraschalluntersuchung oder die Magnetresonanztomographie (MRT). Diese könnten durch Super-Linsen Bilder mit besserer Auflösung aufnehmen und die Röntgenstrahlen könnten gezielter fokussiert werden. Metamaterialien könnten die Krebstherapie revolutionieren (siehe auch den Abschnitt Krebstherapie mit Plasmonen im Modul Nanoteilchen).

Für Ultraschalluntersuchungen könnte man mit Metamaterialien die Ultraschallwellen wesentlich besser fokussieren und somit die Auflösung erheblich verbessern.

Im Weltall werden Astronauten und Satelliten einer ständigen Strahlenbelastung ausgesetzt, was ein großes Problem für Aufenthalte im Weltraum darstellt. Könnte man die gefährliche Strahlung einfach um Raumschiffe, bzw. in einem Raumanzug verbaut um die Astronauten herum lenken, wäre das eine erhebliche Verbesserung.

Militär:

Militärisch ist das Tarnen von Objekten natürlich von höchstem Interesse. Man stelle sich ein U-Boot vor, das für die Schallwellen der Sonarortung unsichtbar wäre, oder Flugzeuge mit gleichem Prinzip für Radare. Im Bereich der Waffentechnik gibt es bereits Ideen für schallbasierte Kanonen. Mithilfe von Metamaterialien können Schallwellen höchst präzise und gebündelt auf ein Ziel gefeuert werden, wobei diese „Sound-Bullets“ (Schallkugeln) erheblichen Schaden anrichten können.

delta wings lizenzfreiTarnkappenflugzeug, public domain

Elektronik:

Aktuelle Mikroelektronik wird über kurz oder lang an ihre Grenzen der Leistungsfähigkeit stoßen. Halbleiter besitzen eine sogenannte Bandlücke, welche mit genügend Leistung überwunden werden muss. Elektronen sind in ihrer Bewegungsgeschwindigkeit beschränkt, da sie unentwegt mit Atomen zusammenstoßen. Doch mithilfe von Metamaterialien könnten einige dieser Probleme elegant gelöst werden. 2017 gab es bereits erste Tests mit halbleiterfreien Mikroelementen, die mit Licht operierten.

Auch die Solarzellentechnologie wird von Metamaterialien profitieren. Etwa ein Zehntel der Fläche einer Solarzelle wird von Drähten verdeckt, die den produzierten Strom abtransportieren sollen. Würde man diese Drähte aus einem Metamaterial herstellen, das im wichtigen Frequenzbereich der Solarzelle unsichtbar wäre, könnte man deren Effizienz erheblich verbessern.

Eine Tarnkappe für Wasserwellen

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