Желание стать невидимым имеет долгую историю. Охотники и солдаты на протяжении столетий искали способы маскировки, но ученые приближаются к тому, чтобы сделать вещи действительно невидимыми.
Современные технологии невидимости могут не только защищать самолеты от радаров, но и скрывать высокие тепловые сигнатуры от инфракрасных камер и не давать слышимости звуковых волн. Так насколько же мы близки к разработке технологии невидимости?
Прячется на виду
Мы видим объекты, потому что при взаимодействии с ними свет поглощается и отражается. Прозрачные объекты, такие как окна, позволяют свету проходить сквозь них практически беспрепятственно. Чтобы плащ-невидимка скрыл непрозрачный объект, ему нужно было бы перенаправить свет вокруг него.
Одно из самых ранних устройств для проверки концепции маскировки было разработано в 2006 году инженерами Университета Дьюка.
Это экспериментальное устройство состояло из медного цилиндра, который был «спрятан» путем отклонения микроволн вокруг него, что создавало впечатление, будто его там нет для микроволнового детектора. Он был сделан из метаматериала — структуры, состоящей из периодического массива элементов (расположение, которое повторяется через равные промежутки времени в трех измерениях — представьте себе решетку), которые придают ему необычные свойства. Это раннее маскирующее устройство работало только для микроволн — электромагнитного излучения с относительно большой длиной волны.
Сделать объект невидимым для видимого света, длина волны которого намного короче, — более сложная задача. Прежде всего потому, что в наномасштабе квантовые эффекты начинают брать верх, но также и потому, что подобный плащ работал бы только для определенной длины волны микроволн. Чтобы плащ был действительно невидим для всего света, ему нужно было бы скрыть себя от всех цветов радуги.
Плюс ко всему, эксперимент с невидимостью сработал только для небольших объектов, но не для объектов размером с человека.
Следующий прорыв произошел в 2018 году, когда исследователи из Гарварда и Университета Ватерлоо (Канада) продемонстрировали устройство, изготовленное из массива металинз (плоских поверхностей, использующих наноструктуры — в данном случае «наноплавники» на основе титана — для фокусировки света), способное преломлять широкий диапазон длин волн видимого света.
На шаг ближе, но настоящий носимый плащ-невидимка все еще остается недостижимым.
«Все хотят иметь плащ-невидимку, который можно носить… Все зациклены на том, чтобы сделать материал гибким», — говорит Саймон Хорсли, доцент кафедры теоретической физики в Университете Эксетера. «Сегодняшние материалы были бы похожи на цилиндр, который вы бы надели на себя. Но если вам нужно что-то, в чем вы могли бы передвигаться, это уже совсем другая проблема дизайна».
Скрытность в небе
Хотя нам, возможно, еще потребуется несколько лет, чтобы разработать настоящую невидимую мантию, некоторые вещи уже сейчас способны сделать объекты фактически невидимыми для других длин волн: например, принципы проектирования и материалы, которые скрывают от радаров военные самолеты (например, истребитель-невидимку, представленный ниже).
Радар работает, посылая импульс радиоволн и слушая любые волны, отраженные от встречающихся ему объектов. Таким образом, приемник радара может вычислить, насколько далеко находится объект.
Будучи сделанными из металла, самолеты очень хорошо отражают сигналы радаров и поэтому их очень легко обнаружить. Но две вещи могут помочь самолету стать невидимым.
Первое — это его форма. Округлые формы, которые можно увидеть на пассажирских самолетах, отлично отражают радары, потому что независимо от того, под каким углом передаваемый сигнал попадает на самолет, часть его всегда будет отражаться обратно к приемнику. Вот почему самолеты-невидимки почти полностью построены с использованием плоских поверхностей и острых краев — они все равно будут отклонять сигналы радаров, но не напрямую в сторону приемника.
Во-вторых, следует избегать изготовления самолета из электропроводящих материалов, таких как металлы и углеродные волокна, чтобы улучшить его радиолокационную прозрачность. Если это невозможно, самолет можно покрыть специальным радиопоглощающим материалом. Эти краски поглощают радиоволны и преобразуют их энергию в тепло, а не отражают их обратно.
Одним из примеров такого покрытия является «краска из железных шариков», которая содержит микроскопические железные шарики, резонансная частота которых совпадает с частотой типичного радара. Когда сигнал радара попадает в самолет, шарики резонируют и преобразуют его энергию в тепло, которое рассеивается в окружающую среду.
Таким образом, самолет-невидимка может быть эффективно замаскирован под маленькую птицу. Однако такие материалы эффективны только в пределах определенных длин волн, а растущая вычислительная мощность систем обнаружения радаров означает, что самолетам становится все сложнее скрываться от них.
Конечно, самолеты-невидимки должны быть спроектированы так, чтобы избегать не только радиочастот. Они часто окрашены в матово-черный цвет и летают ночью, а пилоты направляются на высоты, где инверсионные следы образуются с меньшей вероятностью, что затрудняет их обнаружение в небе.
Проблемой также является сильное тепло, выделяемое их двигателями.
Это можно частично смягчить, впрыскивая холодный окружающий воздух в горячий выхлоп и используя щелевидную выхлопную трубу, чтобы максимизировать смешивание горячего выхлопа с более холодным окружающим воздухом. Некоторые конструкции даже располагают выхлоп над крылом, чтобы скрыть его от наблюдателей снизу.
Электромагнитные метаповерхности следующего поколения также обещают стать еще более эффективным методом перенаправления входящих электромагнитных волн, хотя остается проблема избежания обнаружения широким диапазоном длин волн.
Здесь становится жарко
Для солдат проблема заключается в том, чтобы оставаться незаметными для инфракрасных технологий. Человеческое тело естественным образом выделяет около 200 Вт инфракрасного излучения (ИК) или тепла — это примерно такая же мощность, как у трех бытовых лампочек — и его легко обнаружить с помощью соответствующего оборудования.
Простая и дешевая ИК-маска-невидимка — это одеяло из алюминиевой фольги. Такие блестящие металлы имеют почти нулевую излучательную способность — меру того, насколько хорошо материал отдает тепловое излучение.
Они работают на удивление хорошо в течение короткого периода времени, но вскоре тепло тела накапливается внутри одеяла и его легко обнаружить. Кроме того, в зависимости от излучательной способности среды, в которой вы прячетесь, одеяло может отображаться как холодное пятно для камеры.
Более эффективный камуфляж, над которым работают профессор Коскун Кокабас и команда из Манчестерского университета, активно адаптируется к окружающей среде, подобно хамелеону.
«Наша первоначальная мотивация была такой: можно ли создать умные поверхности, которые смогут имитировать этих животных?» — говорит Кокабас. Ответ — да, с устройствами на основе графена. «Изменяя оптические свойства графена, можно создавать адаптивные поверхности, которые можно использовать для маскировки от видимого, инфракрасного и даже микроволнового излучения», — говорит он.
Материал использует оптические свойства входящего света, взаимодействующего с электронами на его поверхности. Как двумерный материал, графен уникален тем, что на его поверхности находится много подвижных электронов. Это то, что делает его невероятно электропроводным.
«По сути, вам не нужен материал, вам нужны электроны. Если вы можете управлять электронами на поверхности графена, вы можете изменять отражательную способность, поглощение и тепловое излучение. Графен — это платформа, дающая вам эти настраиваемые оптические свойства», — говорит Кокабас. Это достигается путем вдавливания ионов между слоями графена — процесс, называемый «интеркаляцией».
Сделав это, команда Кокабаса может изменять подвижность электронов на поверхности графена, что позволяет им контролировать оптику материала, включая его излучательную способность.
В 2022 году команда создала носимую куртку, содержащую 42 графеновых пятна, которые действовали как пиксели на дисплее. На поле боя это можно было использовать для соответствия фоновой излучательной способности, делая владельца невидимым для ИК-камеры.
Но графен был выделен всего 20 лет назад, и все еще существуют проблемы с интеграцией 2D-материалов с объемными 3D-материалами. Но после решения такие носимые устройства, которые могут скрывать как инфракрасное, так и видимое излучение, могут продвинуть нас на шаг вперед к реальным плащам-невидимкам.
Быть увиденным, но не услышанным
Когда дело доходит до тишины, природа превосходит нас, людей. Возьмем, к примеру, африканскую капустную моль-император. Поскольку она ведет ночной образ жизни, ее не беспокоит, что ее видят хищники в инфракрасном или видимом свете. Вместо этого ее главная проблема — это то, что ее обнаруживают летучие мыши с помощью эхолокации.
Таким образом, это крошечное насекомое выработало в своих крыльях и мехе идеальную акустическую невидимость, которая эффективно поглощает ультразвуковые сигналы летучей мыши, предотвращая их отражение и, следовательно, обнаружение.
Этот гениальный механизм был открыт профессором Марком Холдеридом из Бристольского университета и является первым известным естественным акустическим метаматериалом.
Акустические метаматериалы — это структуры, которые могут контролировать, как звуковые волны движутся через их структуру. Но вместо того, чтобы электроны вокруг регулярно расположенных атомов углерода взаимодействовали со световыми волнами, в акустических метаматериалах периодический массив структур взаимодействует со звуковыми волнами.
«Это позволяет нам экспериментировать со структурой, геометрией и материалами», — говорит исследователь метаматериалов доктор Феликс Лангфельдт, доцент Университета Саутгемптона. «Мы можем объединить их все в периодическую структуру, и она может очень сильно отражать, преломлять или поглощать определенные частоты звука».
Гениальность этих структур заключается в том, что они способны поглощать звуковые волны на гораздо более низких частотах, чем обычные материалы, такие как пена, а также их можно сделать намного тоньше.
«Представьте себе лист толщиной с бумагу, который блокирует звук так же, как бетонная стена», — говорит Лангфельдт. Такие структуры можно использовать для заглушения раздражающих шумов, например, в системах вентиляции или, как изучает Легфельдт, на самолетах.
Но акустические метаматериалы не просто гасят шум или вибрацию. Их также можно использовать для перенаправления вибрации (например, если вы хотите перенаправить землетрясение вокруг фундамента здания) и для использования энергии вибрации.
Доктор Грегори Чаплен, старший преподаватель Эксетерского университета, изучает эту передовую технологию. «Вибрации в автомобиле приводят к потере большого количества энергии — например, звук может быть очень раздражающим», — говорит он. «Если вы можете локализовать, куда уходит эта энергия, направляя ее с помощью метаматериалов, и поместить туда что-то, что может откачивать эту энергию, то вы можете ее собрать».
Подобные системы можно использовать для сбора внешних вибраций с целью питания небольших устройств, таких как датчики, особенно в труднодоступных местах, например, на мостах, ядерных реакторах или в самолетах.
Таким образом, теоретически метаматериальные города будущего могут быть тихими, накапливающими энергию, защищенными от сейсмической активности и, возможно, однажды даже невидимыми.
Источник: Science Focus
Перевод с английского
Main photo «Восточная верфь»
Читайте также:
ИИ создает точные изображения улиц, прослушивая их саундтрек
Google AI учится говорить по-дельфиньи
Прототип летающего автомобиля с бочкообразным ротором начинает летные испытания
Coffee Time journal
Твой журнал на каждый день!
