Spionflyet stryger lavt hen over fjendens lejr og tager snapshots af kraftværker, infrastruktur og militæranlæg. Fjendens overvågningssystemer opdager ingenting, for spionflyet er dækket af en slags usynlighedstæppe, der gør det umuligt at spotte for satellitter og radarer.
Usynlighedstæpper, der kan sløre et fly i luften, er ikke bare ønsketænkning, men kan måske snart realiseres i praksis. Det viser nye teoretiske beregninger, der er gennemført af et forskerhold på DTU Fotonik.
Forskerne har allerede løftet sløret for deres resultater i den kendte videnskabelige database arxiv.org på nettet og forventer inden længe at offentliggøre dem i et internationalt videnskabeligt tidsskrift.
»Inden for det sidste år har man på modelplan haft held med at udvikle usynlighedstæpper, der kan skjule genstande på jordoverfladen. Nu har vi vist matematisk, at det også kan lade sig gøre at udvikle usynlighedstæpper, der kan skjule flyvende eller svævende objekter. Det giver håb om, at man på sigt kan sløre genstande, der flyver eller svæver i stor højde over jordoverfladen,« siger post doc Jingjing Zhang fra DTU Fotonik, der oprindeligt fik idéen til usynlighedstæppet.
Beregningerne har hun lavet sammen med sin kollega lektor Niels Asger Mortensen fra samme institut, der mener, at usynlighedstæppet har mange konkrete anvendelser.
»En teknologisk styrke ved vores usynlighedstæppe er, at det kan udvikles ved nogle forholdsvis simple meta-materialer, som det amerikanske forsvars forskningsprogram DARPA allerede har været inde og støtte ret heftigt. Sådanne usynlighedstæpper ville der selvfølgelig være en række militære anvendelser af,« siger han.
Usynlighedskapper var for perfekte
De to forskeres usynlighedstæppe tager udspring i en idé, der oprindeligt blev fremsat af den engelske fysiker Sir John Pendry.
\ Fakta
VIDSTE DU
Umiddelbart er det svært at forholde sig til, hvordan et materiale med negativt brydningsindeks virker. Men man kan illustrere det med et eksempel fra hverdagen.
Dypper man en kuglepen halvvejs ned i et glas vand, vil kuglepennen på grund af vandets positive brydningsindeks bøje nede i vandet.
Men forestiller man sig, at vandet havde et negativt brydningsindeks, ville det se ud som om, at den neddyppede ende af kuglepennen bøjer op fra vandets overflade - altså som om der slet ikke var nogen kuglepen i vandet.
I 2006 viste han, at man ved hjælp af nogle kunstigt skabte meta-materialer kan skabe en form for kappe, der afbøjer elektromagnetiske bølger omkring et objekt, så det ved visse bølgelængder vil være usynligt. Meta-materialerne må skabes kunstigt, for de skal nemlig have en fysisk struktur, der giver dem nogle særlige optiske egenskaber, som adskiller sig markant fra almindelige materialer.
Pendrys usynlighedskapper stillede ekstreme krav til meta-materialerne som f.eks. at det skulle opføre sig forskelligt afhængigt af, hvor på materialet, man var, og at det i nogle områder af kappen ville kræve et uendeligt stort brydningsindeks, dvs. at det på ideel vis skulle afbøje alt indkommende lys om objektet.
Tæppet skaber en illusion
Den slags materialer fungerer fantastisk på papiret, men er nærmest umulige at skabe i virkeligheden, så den ideelle tredimensionelle kappe er endnu ikke realiseret i praksis. I stedet satses der på simplere usynlighedstæpper i to dimensioner. De er knapt så perfekte og er derfor betydeligt lettere at skabe, fortæller Niels Asger Mortensen.
Tæppet kunne man så trække hen over det objekt, man gerne ville skjule. De seneste år er det rent faktisk lykkedes at skabe usynlighedstæpper, der kan skjule et objekt, der ligger på en flade, så man kun ser selve fladen og ikke objektet.
»Det er jo fint med sådan et usynlighedstæppe, der kan skjule objekter beliggende på en overflade, men andre objekter, man rigtigt gerne vil kunne sløre er fly eller andre luftbårne ting. Det er selvfølgelig svært at have et decideret tæppe trukket hen over et fly, men man kan forestille sig, at man byggede materialet ind i flyets overflade eller trak en form for film hen over flyets forskellige dele,« siger Niels Asger Mortensen.
Usynlighedstæppet virker ved, at det afbøjer den stråling, som rammer den. Strålingen føres på elegant vis uden om flyet og fortsætter ned mod Jorden som om intet var hændt, og jordoverfladen reflekterer nu strålingen tilbage igen. Det virker også omvendt, det vil sige, hvis strålingen først bliver reflekteret i jordoverfladen og derefter bøjer rundt om det flyvende objekt.
(Simulering: Jingjing Zhang og Niels Asger Mortensen)
»En satellit, der befinder sig over flyet, opfanger den reflekterede stråling fra jordoverfladen, der ikke har noget aftryk af flyet. Satellitten får kort sagt en illusion af kun at se jordoverfladen,« siger Jingjing Zhang.
Meta-materiale skal konstrueres
Det flyvende usynlighedstæppe eksisterer altså i forskernes teori, men har endnu til gode at blive fremstillet i et laboratorium. Men forskerne har allerede nogle klokkeklare krav til dets meta-materialer, som f.eks. et negativt brydningsindeks.
»Vi skal så på en eller anden måde finde et materiale, der opfylder det krav. De skal laves af kunstigt skabte materialer med andre egenskaber end naturligt forekommende,« siger Niels Asger Mortensen.
De usynlighedskapper og tæpper, der hidtil har været under udvikling, har kun virket for specifikke bølgelængder eller meget snævre frekvensområder. De begrænsninger gælder ikke i samme grad for usynlighedstæppet fra DTU, for rent teoretisk er der intet til hinder for at skabe usynlighedstæpper, der virker for alle bølgelængder.
Dækker stort frekvensområde
De to forskere spiller nu bolden op til materialeforskningen, der skal forsøge at skabe de ønskede meta-materialer.
Udfordringen er, at meta-materialerne skal have en struktur, der er mindre end strålingens bølgelængde for at kunne lede de elektromagnetiske bølger uden om en genstand.
Det kan på nuværende tidspunkt fint lade sig gøre at skabe den slags strukturer for mikrobølger, men der har vist sig at være uhyre svært for synligt lys, hvis bølgelængde er omkring en halv mikrometer.
Det amerikanske forsvars udviklingsafdeling DARPA allerede har været inde og støtte ret heftigt, for usynlighedstæpper er der selvfølgelig en række militære anvendelser af
Niels Asger Mortensen
Jo mindre bølgelængde strålingen har, des mindre skal meta-materialets struktur altså have, og jo sværere er det at skabe i laboratoriet.
»Udfordringen ved at lave usynlighedstæpper for synligt lys er, at bølgelængden er så ufatteligt kort, for det stiller krav om, at meta-materialets strukturer skal være endnu mindre,« konstaterer Niels Asger Mortensen.
De to forskere er dog fortrøstningsfulde, for udviklingen inden for nanoteknologi rykker hurtigt, og det, der var umuligt i går er pludselig inden for rækkevidde i morgen.
»En af de ting ved vores usynlighedstæppe, der virkelig er spændende, er, at det kan virke ved mange frekvenser, i modsætning til de oprindelige kapper, der kun virker ved et snævert frekvensbånd,« slutter han.
