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08.03.09 · 13:50 Uhr

Metamaterialien und Tarnung

Kategorie: Naturwissenschaften·Technik

Ich spar mir mal die Anreißer mit Star Trek oder Harry Potter, (oder den Nibelungen für Ernst Peter Fischer), aber es geht um "Tarnkappen", oder um Wege, etwas unsichtbar zu machen. Jürgen Schönstein hat nach einigen Aspekten davon gefragt, und das ist doch durchaus mal den einen oder anderen Post wert. Das Review-Paper das Jürgen verlinkt hat ist allerdings eher hart theoretisch, da muss ich mal sehen ob und wann ich da durchsteige. Da ich meine Beiträge eher mundgerecht groß/klein mag, geht es heute erst einmal um den Versuch von Schurig et al., der 2006 bekannt wurde.

Ihr da am Fenster, zieht bitte mal die Vorhänge zu, wir schauen uns einen Film dazu an:

Also wichtig ist zunächst einmal: Es handelt sich um einen "Proof of Concept". 2005 wurden Ideen vorgestellt, und hier wurde in einer einfachen Studie gezeigt, dass dies tatsächlich funktionieren kann. Ein Objekt wurde für planare Mikrowellen einer Frequenz in 2D nahezu unsichtbar gemacht. Das ist so, als ob man einen Stein ein wenig krumm wirft um zu zeigen dass man zum Mond fliegen kann...

Erste Frage: Was ist ein Metamaterial?

Unter einem Material stellen wir uns zunächst mal einen Block von etwas vor, einen Kupferblock oder einen SIlberdraht, jedenfalls etwas homogenes. Beim Metamaterial müssen wir unterscheiden, wie genau wir hinsehen. Die Idee ist, ein makoskopisch homogen aussehendes Medium zu haben, das aber aus vielen kleinen Elementen aufgebaut ist, die zu einem Gitter angeordnet sind. Wenn man diesen kleinen Elementen unterschiedliche elektrische Eigenschaften gibt (z.B. als Kondensator oder Induktion), wird sich das auf die elektrischen Eigenschaft im Großen auswirken.
Man wird also ein Material erhalten, das z.B. keine gleichverteilten elektrischen Eigenschaften mehr hat, wie das bei einem Block Kupfer der Fall wäre.

Zweite Frage: Was ist Tarnung?

Unter Tarnung versteht man, dass hinter dem Objekt eine elektromagnetische Welle genauso aussieht wie ohne Objekt. Das wäre natürlich im optimalen Fall für jede Welle, also z.B. für Licht aller Wellenlängen so. Aber davon sind wir noch weit entfernt, vor allem weil sichtbares Licht eine viel kleinere Wellenlänge hat und man dafür winzig kleine Elemente in den Metamaterialien bräuchte. Zunächst funktioniert das ganze nur für 2D für eine Wellenlänge im Mikrowellenbereich.

Dritte Frage: Wie wurde in diesem Versuch getarnt?

Die Möglichkeit die hier verwendet wurde, versucht die Wellen um das Objekt herumzuleiten. Man könnte auch versuchen, eine vorsichtig abgestimmte Resonanz zu erreichen, die verschluckte Wellen ausgleicht.
Die Idee ist für das Umleiten ist folgende: Wir suchen zwei verschiedene Lösungen der Maxwell-Gleichungen, die hinter dem Objekt genau gleich aussehen. Die Maxwell-Gleichungen bestimmen den Zusammenhang zwischen elektromagnetischen Felder und Strömen/Ladungen. Wenn wir also durch geschickte Verteilung von Metamaterialien erreichen können, dass die Lösung dieser Gleichungen hinter dem Objekt gleich aussieht wie eine Lösung ohne Objekt, haben wir gewonnen. Das Rezept dazu nennt sich Koordinatentransformation und man versucht, die elektrischen Eigenschaften so zu verteilen, dass weit hinter dem Objekt (einem Kupferring) wieder ebene Wellen herauskommen. Die benötigte Verteilung der elektrischen Eigenschaften erreicht man mit Hilfe der Metamaterialien.
Die Zylinder des Metamaterials bestehen aus kleinen Elementen, die wie quadratisch aufgebogene Heftklammern aussehen. Wie man im Video sieht, hat es funktioniert, für eine Wellenlänge und in 2D sehen die Wellen hinter dem Objekt fast aus wie ohne Objekt.
Einen Reprint des Papers findet man auf der Seite des Autors (PDF).

 

Autor: Jörg· 0 Kommentare· Permalink· Trackback-URL

Tags: elektrodynamik· metamaterialien· optik· tarnung· wellen