Teoretisk usynlighetsteppe kan skjule fly

Danske forskere har utført beregninger som viser at det er mulig å skjule fly og andre flygende objekter ved hjelp av et usynlighetsteppe.

Publisert
Stealthfly er vanskelige å se på radar, men i fremtiden vil man kanskje kunne gjøre fly helt usynlige ved hjelp av et usynlighetsteppe. (Foto: Wikimedia Commons)
Stealthfly er vanskelige å se på radar, men i fremtiden vil man kanskje kunne gjøre fly helt usynlige ved hjelp av et usynlighetsteppe. (Foto: Wikimedia Commons)

Spionflyet stryker lavt over fiendens leir og tar bilder av kraftverk, infrastruktur og militæranlegg. Fiendens overvåkingssystemer oppdager ingenting, for spionflyet er dekket av et slags usynlighetsteppe som gjør det umulig å se for satellitter og radarer.

Dette er ikke bare ønsketenkning, men kan kanskje snart realiseres i praksis. Det viser nye teoretiske beregninger som er gjennomført av en forskergruppe på DTU Fotonik.

Forskerne har allerede publisert resultatene sine i den kjente vitenskapelige databasen arxiv.org og forventer om ikke lenge å offentliggjøre dem i et internasjonalt vitenskapelig tidsskrift.

– Det siste året har man på modellplan klart å utvikle usynlighetstepper som kan skjule gjenstander på jordoverflaten. Nå har vi vist matematisk at det også er mulig å utvikle usynlighetstepper som kan skjule flyvende objekter, sier post.doc. Jingjing Zhang fra DTU Fotonik.

Beregningene har hun utført sammen med førsteamanuensis Niels Asger Mortensen fra samme institutt, som mener at usynlighetsteppet har mange konkrete bruksområder.

– En teknologisk styrke ved usynlighetsteppet vårt er at det kan utvikles med forholdsvis enkle metamaterialer som det amerikanske forsvarets forskningsprogram DARPA allerede har vært inne og støttet temmelig kraftig. Slike usynlighetstepper ville selvfølgelig ha en rekke militære bruksområder, sier han.

Usynlighetskapper var for perfekte

De to forskernes usynlighetsteppe tar utgangspunkt i en idé som opprinnelig ble fremsatt av den engelske fysikeren Sir John Pendry.

I 2006 viste han at man ved hjelp av kunstige metamaterialer kan skape en form for kappe som bøyer av elektromagnetiske bølger omkring et objekt, slik at det ved visse bølgelengder vil være usynlig. Metamaterialene må skapes kunstig, for de må ha en fysisk struktur som gir dem spesielle optiske egenskaper.

Pendrys usynlighetskapper stilte ekstreme krav til materialene, som for eksempel at det skulle oppføre seg forskjellig avhengig av hvor på materialet man var, og at det i noen områder av kappen ville kreve en uendelig stor brydningsindeks, det vil si at det skulle bøye av alt innkommende lys rundt objektet.

Teppet skaper en illusjon

Slike materialer fungerer fantastisk på papiret, men er nærmest umulige å skape i virkeligheten, så den ideelle tredimensjonale kappen er enda ikke realisert i praksis. I stedet satses det på enklere usynlighetstepper i to dimensjoner. De er ikke like perfekte og er derfor betydelig lettere å produsere, forteller Mortensen.

Teppet kunne man trekke over det objektet man gjerne ville skjule. De siste årene har man klart å skape usynlighetstepper som kan skjule et objekt som ligger på en flate, slik at man bare ser selve flaten og ikke objektet.

– Det er jo fint, men man vil gjerne kunne skjule fly eller andre luftbårne ting. Det er selvfølgelig vanskelig å ha et faktisk teppe trukket over et fly, men man kan forestille seg at man bygget materialet inn i flyets overflate eller trakk en form for film over de forskjellige delene av flyet, sier Mortensen.

Usynlighetsteppet virker ved at det bøyer av den strålingen som treffer det. Strålingen føres på elegant vis utenom flyet og fortsetter ned mot jorden som om ingenting var hendt, og jordoverflaten reflekterer så strålingen tilbake igjen. Det virker også omvendt: Hvis strålingen først blir reflektert i jordoverflaten.

– En satellitt som befinner seg over flyet, fanger opp den reflekterte strålingen fra jordoverflaten, som ikke har noe avtrykk av flyet. Satellitten får en illusjon av bare å se jordoverflaten, sier Zhang.

Metamateriale må konstrueres

Det flygende usynlighetsteppet eksisterer altså i teorien, men har enda til gode å bli framstilt i et laboratorium. Men forskerne har allerede noen klokkeklare krav til metamaterialene, som for eksempel en negativ brydningsindeks.

– Vi må på en eller annen måte finne et materiale som oppfyller det kravet. De må lages av kunstig skapte materialer med andre egenskaper enn de som forekommer i naturen, sier Mortensen.

De usynlighetskappene som hittil har vært under utvikling, har bare virket for spesifikke bølgelengder eller veldig snevre frekvensområder. De begrensningene gjelder ikke i samme grad for usynlighetsteppet fra DTU, for rent teoretisk er det ingenting i veien for å skape usynlighetstepper som virker for alle bølgelengder.

Dekker stort frekvensområde

De to forskerne sender nå ballen videre til materialforskningen, som skal forsøke å skape metamaterialene som kreves.

Utfordringen er at materialene skal ha en struktur som er mindre enn strålingens bølgelengde for å kunne lede de elektromagnetiske bølgene utenom en gjenstand.

Det kan i dag fint la seg gjøre å skape den slags strukturer for mikrobølger, men det har vist seg å være uhyre vanskelig for synlig lys, der bølgelengden er omkring en halv mikrometer.

Jo mindre bølgelengde strålingen har, desto mindre kan metamaterialets struktur ha, og jo vanskeligere er det å skape det i laboratoriet.

– Utfordringen ved å lage usynlighetstepper for synlig lys er at bølgelengden er så ufattelig kort, for det stiller krav om at metamaterialets strukturer skal være enda mindre, konstaterer Mortensen.

De to forskerne er imidlertid håpefulle, for utviklingen innen nanoteknologi går raskt, og det som var umulig i går er plutselig innen rekkevidde i morgen.

– En av de tingene som er virkelig spennende ved usynlighetsteppet vårt, er at det kan virke ved mange frekvenser, i motsetning til de opprinnelige kappene, som bare virker ved et snevert frekvensbånd, avslutter han.

___________________

© videnskab.dk. Oversatt av Lars Nygård for forskning.no

Referanse og lenker

Lenke til vitenskapelig artikkel på axiv.org

Kontaktopplysninger for Jingjing Zhang

Kontaktopplysninger for Niels Asger Mortensen