Neue 3D-Tarnhülle macht Objekte für Wärmebildkameras unsichtbar

Wärme lässt sich schlecht verstecken. Selbst wer in völliger Dunkelheit reglos in Tarnkleidung verharrt, leuchtet für eine Wärmebildkamera hell wie am Tag. Jedes Objekt oberhalb des absoluten Nullpunkts strahlt thermische Energie ab, und jeder Temperaturunterschied zur Umgebung erzeugt eine Signatur, die für empfindliche Infrarotsensoren deutlich sichtbar bleibt. Ingenieur:innen der University of Illinois Urbana-Champaign (UIUC) und der Technischen Universität Dänemark haben nun einen dreidimensionalen Thermotarnmantel entwickelt, der Objekte beliebiger Form aus jeder Richtung vor Infrarotkameras verbergen kann.

Bild: University of Illinois Urbana-Champaign

Wärme umleiten statt blockieren

Eine einfache Isolierhülle würde das Problem nicht lösen. Sie würde zwar das Objekt selbst verstecken, aber durch scharfe geometrische Kanten sofort auffallen, weil natürliche Wärmesignaturen sanft in ihre Umgebung übergehen. Echte thermische Unsichtbarkeit erfordert stattdessen eine Struktur, die den Wärmestrom aufspaltet, um das Objekt herumleitet und auf der anderen Seite wieder zusammenführt. Von außen betrachtet bleibt das Temperaturmuster dabei ungestört, während im Inneren eine stabile, geschützte Zone entsteht. Frühere Tarnmäntel funktionierten meist nur zweidimensional oder für eine einzige Wärmerichtung. Der neue UIUC-Mantel dagegen arbeitet omnidirektional und passt sich beliebigen Innen- und Außenformen an.

Aluminium-Gitter und Silikon als Team

Um die passende Struktur zu berechnen, nutzte das Team um Professorin Shelly Zhang zunächst die Transformationsthermotik, um eine dreidimensionale Karte der benötigten Wärmeleitfähigkeit zu erstellen. Die eigentliche Herausforderung lag darin, diese theoretische Karte in eine druckbare Struktur zu übersetzen. Die Lösung nennt sich 3D-Dehomogenisierung: Ein Gitter aus drei senkrecht zueinander stehenden Streben lässt sich in Dicke und Ausrichtung so anpassen, dass Wärme an jedem Punkt gezielt in die gewünschte Richtung fließt. Ein Algorithmus verbindet die einzeln abgestimmten Streben zu einer durchgehenden, druckbaren Struktur. Gedruckt wurde das Gitter aus der Aluminiumlegierung AlSi10Mg mittels direktem Metall-Lasersintern, die Zwischenräume füllten die Forscher:innen mit dem schlecht leitenden Silikonkautschuk PDMS. Das Aluminium bildet dabei bevorzugte Pfade für die Wärme, während das PDMS unerwünschte Routen blockiert.

Test mit Apfelform und Gesichtsstruktur

Im Test bauten die Forscher:innen eine birnenförmige Tarnhülle um einen apfelförmigen Kern und platzierten die Probe zwischen einer auf vierzig Grad Celsius erhitzten und einer eisgekühlten Aluminiumplatte. Nach sechzig Minuten zeigte eine Wärmebildkamera: Das äußere Temperaturmuster blieb nahezu unverändert, während der geschützte Kern eine gleichmäßige Temperatur hielt. Auf einer Skala von null (perfekte Tarnung) bis eins (voll sichtbarer Kern) erreichte das Design in Simulationen Werte von 0,037 bei vertikalem und 0,079 bei horizontalem Wärmefluss. Zusätzlich testete das Team einen herzförmigen Metallmantel sowie mittels sphärischer Harmonischen gedruckte, gesichtsähnliche Kunststoffstrukturen.

Noch keine Tarnkappe zum Umhängen

Bis zu einer tragbaren Tarnkappe bleibt es ein weiter Weg. Der aktuelle Prototyp ist starr, formspezifisch und für einen festen Untergrund konzipiert, keine flexible Hülle für beliebige Objekte. Getestet wurde bislang nur entlang zweier senkrecht zueinander stehender Richtungen und unter kontrollierten Laborbedingungen über eine Stunde. Als nächsten Schritt planen Zhang und ihr Team intelligente, multifunktionale Tarnmäntel, die auch Objekte verbergen können, die selbst Wärme erzeugen, etwa Elektronik. Ein solches System müsste Wärme aktiv konzentrieren, verteilen und lenken, was die Technologie sowohl dem Wärmemanagement in Mikrochips als auch einer echten Infrarot-Tarnung näherbringen würde.

via University of Illinois Urbana-Champaign