Tarnkappen-Technologie

Wie die TU Wien Dinge unsichtbar macht

Eine neue Tarnkappen-Technologie wurde an der TU Wien entwickelt: Ein spezielles Material wird von oben so bestrahlt, dass es einen seitlich ankommenden Lichtstrahl ungestört passieren lässt.

TU Wien Forschung & Entwicklung

Ein Material mit inneren Unregelmäßigkeiten streut einen einfallenden Lichtstrahl in alle Richtungen.

Wie macht man Materialien unsichtbar? Ein Forschungsteam der TU Wien hat mit Unterstützung aus  Griechenland und den USA einen neuen Ansatz für Tarnkappen-Technologien entwickelt: Ein vollständig  undurchsichtiges Material wird von oben oder unten mit einem ganz bestimmten Wellenmuster bestrahlt – und   das führt dazu, dass Lichtwellen von links nach rechts völlig ungehindert durch das Material dringen können.  Dieses überraschende Resultat eröffnet ganz neue Möglichkeiten für aktive Camouflage. Das Prinzip ist für  ganz unterschiedliche Arten von Wellen anwendbar – nicht nur für Licht, sondern etwa auch für Schallwellen.  Erste Experimente dazu sind bereits in Planung.

Die Lichtstreuung überlisten

„Komplizierte Materialien wie etwa ein Stück Würfelzucker sind undurchsichtig, weil die Lichtwellen in ihnen  unzählige Male abgelenkt und gestreut werden“, erklärt Prof. Stefan Rotter vom Institut für Theoretische  Physik der TU Wien. „Das Licht kann zwar eindringen und irgendwo wieder herauskommen, aber die  Lichtwelle kann sich nicht geradlinig durch das Medium hindurchbewegen. Stattdessen wird sie chaotisch in  alle Richtungen gestreut.“

Seit Jahren gibt es verschiedene Versuche, die Wellenstreuung zu überlisten und somit eine Art „Tarnkappe“  herzustellen. So kann man etwa aus speziellen Materialien Objekte herstellen, die bestimmte Lichtwellen  außen um sich herumleiten. Es gibt auch Experimente mit Gegenständen, die von sich aus Licht abstrahlen:  Wenn ein Bildschirm nach vorne genau das Licht aussendet, das er auf der Rückseite absorbiert, dann  erscheint er unsichtbar – zumindest, wenn man ihn aus dem richtigen Winkel betrachtet.

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An der TU Wien versuchte man nun allerdings, das Problem auf fundamentaler Ebene zu lösen. „Wir wollten  die Lichtwelle nicht umleiten oder mit Zusatz-Displays wiederherstellen, sondern die ursprüngliche Lichtwelle  auf geradem Weg durch das Objekt steuern, so als wäre das Objekt gar nicht da“, sagt Andre Brandstötter,  ein Ko-Autor der Studie. „Das klingt merkwürdig, doch mit bestimmten Materialien und unserer speziellen  Wellentechnologie ist das möglich.“

Laser-Material punktgenau Energie zuführen

Das Forschungsteam an der TU Wien beschäftigt sich schon seit längerer Zeit mit optisch aktiven  Materialien, wie man sie zur Herstellung von Lasern verwendet. Damit ein Laser zu leuchten beginnt, muss  ihm in Form von Licht Energie zugeführt werden. Tut man das nicht, verhält sich das Laser-Material wie die  meisten anderen auch: Es absorbiert einen Teil des einfallenden Lichts.

„Der entscheidende Trick ist, dem Material punktgenau Energie zuzuführen und an anderen Stellen Absorption  zu erlauben“, erklärt Prof. Konstantinos Makris von der Universität Kreta, der zuvor in der Arbeitsgruppe Rotter  tätig war. „Von oben wird genau das richtige Punktmuster auf das Material gestrahlt – wie durch einen  gewöhnlichen Videoprojektor, allerdings mit sehr hoher Auflösung.“

Passt dieses Muster genau zu den inneren Unregelmäßigkeiten im Material, an denen normalerweise das  Licht gestreut wird, kann man durch das von oben zugeführte Licht die Streuung praktisch ausschalten und  ein Lichtstrahl kann von links nach rechts völlig ungehindert und verlustfrei durch das Material gelangen.

„Dass es mathematisch überhaupt möglich ist, ein solches Punktmuster zu finden, ist auf den ersten Blick  nicht sofort ersichtlich“, sagt Rotter. „Insbesondere muss jedes Objekt, das man durchsichtig machen will, mit  einem eigenen Punktmuster bestrahlt werden – abhängig von der mikroskopischen Streuung in seinem  Inneren. Wir haben nun eine Methode entwickelt, für ein beliebiges, zufällig streuendes Objekt genau das  richtige Bestrahlungs-Punktmuster zu errechnen.“

Einfacher mit Schallwellen anstatt mit Licht zu arbeiten

Dass die Methode funktioniert, konnte man in Computersimulationen bereits zeigen. Nun soll die Idee  experimentell umgesetzt werden. Stefan Rotter ist zuversichtlich, dass das gelingen wird: „Wir sind bereits im  Gespräch mit experimentellen Forschungsgruppen, mit denen wir das technisch umsetzen möchten. In einem ersten Schritt ist es wahrscheinlich einfacher mit Schallwellen anstatt mit Licht zu arbeiten – aus  mathematischer Sicht spielt dieser Unterschied keine erhebliche Rolle.“