Eine neue 3D-Technologie könnte den Schutz von Objekten vor Hitze und thermischer Erkennung grundlegend verändern. Nach Angaben der University of Illinois Urbana-Champaign haben Forschende die erste vollständig dreidimensionale thermische Tarnvorrichtung entwickelt, die Objekte für Infrarotkameras unsichtbar machen und sie zugleich vor extremen Temperaturen schützen kann.
Die in Nature Communications beschriebene Studie erläutert, wie die Erfindung aus nahezu jeder Richtung funktioniert. Frühere Entwürfe für thermische Tarnvorrichtungen wirkten dagegen nur in zwei Dimensionen oder aus einer einzigen Richtung. Statt Wärme zu blockieren, lenkt der Tarnmantel die Wärmeenergie um ein Objekt herum. Eine Infrarotkamera erfasst dadurch ein Temperaturmuster, als wäre das Objekt nicht vorhanden.
„Ein echter thermischer Tarnmantel sollte unabhängig davon funktionieren, woher die Wärme kommt“, sagte Shelly Zhang, Professorin für Bau- und Umweltingenieurwesen an der University of Illinois Urbana-Champaign. „Unsere Vorrichtung kann ein komplexes 3D-Objekt aus unendlich vielen Richtungen verbergen und gleichzeitig die Temperatur im Inneren stabil halten und es schützen.“
Der Durchbruch basiert auf einer gitterartigen Materialstruktur, die sich in drei Richtungen anpassen lässt, um die Wärmeübertragung präzise zu steuern. Durch die Anpassung der Gittergeometrie können die Forschenden ein breiteres Spektrum thermischer Eigenschaften erzielen als mit früheren Ansätzen. Dadurch nähert sich die Konstruktion den Anforderungen an einen idealen Tarnmantel an.
Zum Team gehören neben Zhang der Postdoktorand Weichen Li, der Doktorand Yibo Wang und Professor Ole Sigmund von der Technischen Universität Dänemark. Gemeinsam bauten und erprobten sie einen physischen Prototyp, der 3D-gedrucktes Aluminium mit geformtem Gummi kombiniert: Das Aluminiumgitter leitet Wärme effizient weiter, während das gummiartige Material die Wärmeübertragung verlangsamt.
In Laborversuchen platzierten die Forschenden den Tarnmantel zwischen heißen und kalten Bereichen und verfolgten den Wärmetransport mit einer Infrarotkamera. Die Ergebnisse zeigten, dass die Wärme um den geschützten Bereich herumfloss, während die Temperatur im Inneren stabil blieb. Das Team testete auch komplexe 3D-Formen, darunter kopfähnliche Geometrien, und demonstrierte damit eine Leistungsfähigkeit, die über bisherige experimentelle thermische Tarnvorrichtungen hinausgeht.
Mögliche Anwendungen sind das Wärmemanagement rund um empfindliche Elektronik, der Schutz von Geräten in rauen Umgebungen und die Verringerung der thermischen Sichtbarkeit in Sicherheits- und Verteidigungsanwendungen.
„Jeder Bereich, in dem Wärme präzise gesteuert oder etwas vor thermischer Erkennung geschützt werden muss, könnte von dieser Arbeit profitieren“, sagte Zhang. „Es geht darum, Informationen zu verbergen und zu schützen, die durch Wärme übertragen werden.“
Die Forschenden untersuchen nun intelligente thermische Tarnmäntel, die Wärme aktiv beeinflussen könnten, statt Objekte lediglich zu verbergen oder zu schützen. Zhang erklärte dazu: „Der nächste Schritt sind Tarnmäntel, die nicht nur verbergen und schützen, sondern Wärme auch aktiv auf nützliche Weise beeinflussen.“
