Entwicklung des KIT 10.06.2014, 08:35 Uhr

Optische Tarnkappe lässt Gegenstände im Nebel verschwinden

Einen Tarnumhang haben sich wohl die meisten Menschen schon einmal gewünscht – und auch Industrie und Militär sind sehr interessiert an entsprechender Technik. Forscher aus Karlsruhe haben jetzt einen ersten Schritt geschafft: Sie können Objekte im Nebel verschwinden lassen.

Bodennebel liegt bei Sonnenuntergang über den Elbwiesen in Dresden. Im Nebel reflektieren Partikel Lichtstrahlen nicht geradlinig, sondern diffus. Diese Tatsache machten sich die Forscher des KIT zunutze.

Bodennebel liegt bei Sonnenuntergang über den Elbwiesen in Dresden. Im Nebel reflektieren Partikel Lichtstrahlen nicht geradlinig, sondern diffus. Diese Tatsache machten sich die Forscher des KIT zunutze.

Foto: dpa/Arno Burgi

Bisher müssen Hausbesitzer abwägen: Sicherheit oder Design? Wollen sie sich mit sichtbaren Gittern vor den Fenstern vor Einbrechern schützen oder ist ihnen ein elegantes Äußeres ihres Hauses wichtiger? Dank eines Teams von Forschern des Karlsruher Institut für Technologie (KIT) stellt sich diese Frage in Zukunft möglicherweise nicht mehr.

Die Wissenschaftler haben eine Art Tarnkappe für Dinge in trüben Umgebungen entwickelt. Damit könnten zum Beispiel Sensoren oder Stahlstäbe unsichtbar in Milchglas eingebettet werden. Doch bis es soweit ist, ist noch einiges an Forschungsarbeit zu tun: Bisher handelt es sich bei der vom DFG-Center for Functional Nanostructures (CFN) geförderten Studie um Grundlagenforschung, die allerdings schon den Weg in das US-Wissenschaftsmagazin Science gefunden hat.

Erste, sehr erfolgreiche Schritte hat das Team schon gemacht: Den Wissenschaftlern gelang es, Objekte in trübem Wasser mithilfe einer Spezialbeschichtung verschwinden zu lassen. Dabei machten sie sich die Tatsache zunutze, dass Partikel in trüben Materialien wie milchigem Wasser, Nebel und Rauch Lichtstrahlen nicht geradlinig, sondern kreuz und quer reflektieren, also diffus. Licht wird durchgelassen, die Lichtquelle aber verschleiert. Diese Eigenschaft nutzen die Wissenschaftler dafür, Objekte zu verstecken, indem sie Licht ebenso kreuz und quer um sie herumleiten, die Intensität der Ablenkung aber steuern.

Tarnkappe besteht aus Silikon und Melamin

Erreicht haben sie das, indem sie die Testobjekte – Metallzylinder und -kugeln von wenigen Zentimetern Durchmesser – weiß anstrichen und dann mit einem transparenten Silikon umhüllten. Darin eingelassen sind winzige Melaminpartikel von zehn Mikrometern Durchmesser, die für eine bestimmte Lichtstreuung sorgen. Die Objekte stellten sie in einen Behälter, den sie mit durch weiße Wandfarbe eingetrübtem Wasser füllten. Beleuchteten die Forscher das Ganze mit einer großflächigen weißen Lichtquelle, waren die Testobjekte nicht zu sehen und warfen auch keine Schatten.

Im diffus streuenden Medium bewegt sich Licht auf zufälligen Bahnen (Lupe). Darin wirft ein normaler Gegenstand (links) einen Schatten, einer mit Tarnkappe (rechts) nicht.

Im diffus streuenden Medium bewegt sich Licht auf zufälligen Bahnen (Lupe). Darin wirft ein normaler Gegenstand (links) einen Schatten, einer mit Tarnkappe (rechts) nicht.

Quelle: KIT

Objekte ohne Tarnkappen-Umhüllung waren dagegen durch einen deutlichen Schattenwurf erkennbar. Die Tarnung funktioniert, da das Silikon mit seinen Partikeln zwar ebenfalls, aber in geringerem Maße zur Lichtstreuung beiträgt, dabei mehr Licht durchlässt als das umgebende Wasser und so den Schattenwurf des umhüllten Objekts ausgleicht.

Auf diese Weise wird auch eine Schwachstelle bisheriger Tarnkappen-Versuche ausgemerzt. Auch bisher setzte die Tarnkappentechnik auf Licht, dass die Objekte umfließt – also nicht reflektiert wird, sondern nach dem Umlenken zum Beispiel durch elektromagnetische Wellen genau da ankommt, wo es ankommen soll. Allerdings nicht gleichzeitig mit den anderen Lichtstrahlen: Durch den Umweg braucht das Licht mehr Zeit, so dass der Tarneffekt nicht ausreichend funktioniert – und wenn, dann nur bei mikroskopisch kleinen Objekten oder bei Licht einer bestimmten Wellenlänge. Schneller kann das Licht beim Umfließen der zu tarnenden Objekte laut Einsteins Relativitätstheorie in klarer Umgebung nicht werden.

Diffuses Licht ist langsamer

Das sieht bei diffusem Licht schon anders aus: Durch die vielen Richtungswechsel beim Reflektieren wird das Licht in trübem Wasser oder auch Milchglas sowieso langsamer, sodass die etwas weniger trübe Tarnkappe die Geschwindigkeit entsprechend erhöhen – oder besser: weniger verlangsamen – kann.

Für einen Tarnumhang, der Menschen wie in den Harry-Potter-Büchern verschwinden lässt, wird nach heutigem Stand der Forschung also weiterhin Magie benötigt. Im Nebel oder in trübem Wasser rückt diese Option dank der Forschung der KIT-Wissenschaftler jedoch schon jetzt in den Bereich des Realen.

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