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Auf dem Weg zur Tarnkappe

Wie Metamaterialien Objekte unsichtbar machen

Tarnkappen und Tarnmäntel gehörten lange ins Reich der Science-Fiction und Fantasy: Harry Potter und andere Helden solcher Geschichten stülpen sich einfach einen speziellen Mantel um – und schon sind sie unsichtbar. Doch mit den Metamaterialien rücken solche Tarnstoffe nun in den Bereich des Machbaren.

Tarnmantel
Das ultradünne Metamaterial des Tarnmantels ist mit Goldblöckchen bedeckt, die das einfallende Licht manipulieren. © Xiang Zhang group /UC Berkeley

Sichtbarkeit ist eine Frage des Strahlengangs

Normalerweise sehen wir Objekte, weil die Lichtstrahlen auf sie treffen und von der Oberfläche des Menschen oder Gegenstands reflektiert werden. Diese reflektierte Strahlung erreicht unsere Augen und verrät uns, dass da etwas den ungestörten Gang des Lichts blockiert. Das Objekt wird für uns sichtbar und das Muster der reflektierten und absorbierten Strahlung gibt ihm Farbe und Kontur. Um ein solches Objekt unsichtbar zu machen, muss eine Tarnkappe diese charakteristische Ablenkung des Lichts verhindern.

Genau dies lässt sich durch Metamaterialien erreichen: Die Brechungseffekte ihrer Nanostruktur gleichen die Veränderungen aus, die die Strahlung durch Kontakt mit dem Objekt erfährt. Das vom Betrachter wahrgenommene Licht sieht dann so aus, als wäre es nie mit dem zu tarnenden Objekt in Berührung gekommen. Wie bei anderen Meta-Anwendungen auch, müssen Form und Größe der Metastruktur dabei an die Form des zu tarnenden Objekts und an die Wellenlänge des abzulenkenden Lichts angepasst sein.

Ein Tarnmantel für rotes Licht

Dass solche Metamaterial-Tarnkappen tatsächlich funktionieren, haben Wissenschaftler in den letzten Jahren schon an mehreren Beispielen demonstriert. Sie entwickelten Tarnkappen für Mikrowellen, Infrarotlicht oder auch einzelne Bereiche des sichtbaren Lichts. Allerdings sind sie ziemlich unhandlich und können nur Objekte kaschieren, die viel kleiner sind als sie selbst. „Sie ähneln weniger Harry Potters Umhang als vielmehr Harry Potters Schuppen“, erklärt John Pendry vom Imperial College London.

Aber ein echter Harry-Potter-Tarnmantel rückt langsam näher: 2015 haben Forscher der University of California in Berkeley erstmals ein Metamaterial vorgestellt, das extrem dünn ist und selbst unregelmäßig geformte, größere Objekte kaschieren kann. „Unser ultradünner Tarnmantel sieht wirklich wie ein Umhang aus“, erklärt Studienleiter Xingjie Ni.

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Das neuartige „Tarntuch“ besteht aus einem nur 80 Nanometer dicken Metamaterial, das sich wie eine dünne Haut an darunter liegende Objekte anschmiegen kann. Auf seiner Oberfläche sitzt eine Nanostruktur aus winzigen Goldblöckchen. Die Metaoberfläche des Tarnmantels manipuliert das einfallende Licht so, dass Unebenheiten kaschiert werden. In ersten Tests wurden dadurch unregelmäßig geformte Objekte von knapp 40 Mikrometern Größe unsichtbar.

Schlechte Karten für Harry Potter

Allerdings: Harry Potter würde dieser Tarnmantel wenig nützen. Denn ähnlich wie die meisten Metamaterial-basierten Tarnkonstrukte funktioniert auch er nur für eine bestimmte Wellenlänge des Lichts – in diesem Fall rotes Licht von 730 Nanometer Wellenlänge. Wer diesen Mantel trägt, würde daher zwar einen merkwürdigen Farbstich bekommen, wäre aber noch problemlos erkennbar. Zwar gibt es bereits erste Metamaterialien, die eine etwas größere Bandbreite der Strahlung manipulieren können. Aber auch sie decken nur einen sehr kleinen Ausschnitt des sichtbaren Lichts ab.

Bis es Metamaterialien gibt, die ein Objekt oder eine Person tatsächlich unsichtbar machen können, wird es daher wohl noch eine ganze Weile dauern – falls es überhaupt jemals möglich wird.

 

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In den Schlagzeilen

Inhalt des Dossiers

Metamaterialien
Exotische Manipulation von Strahlung und Schall

"Unmögliche" Brechung
Was sind Metamaterialien?

Meta-Linsen und Licht-Konverter
Optische Anwendungen von Metamaterialien

Auf dem Weg zur Tarnkappe
Wie Metamaterialien Objekte unsichtbar machen

Mehr als nur Licht
Wie Metamaterialien Radiowellen und sogar Schall manipulieren

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