En halv mand vandrer ud over marken med solcellepaneler. Kun hans fødder, hans hoved og den ene arm er synlig. Resten af manden er usynlig og erstattet af markens grønne græs.
Hans krop er dækket af det nyeste og mest lovende bud på virkelighedens usynlighedskappe, som kan gøre selv store objekter meget svære at få øje på.
Plastmaterialet i kappen er skabt af den canadiske opfinder Guy Cramer fra firmaet Hyperstealth, som siden 2011 har arbejdet på projektet. Det virker ved at omdirigere lysets bane og skaber et usynlighedsfelt bagved. Med en ganske simpel tilføjelse kan materialet opsamle de lysstråler, der passerer forbi solceller, og skubbe elproduktionen adskillige niveauer op.
Forsker knækker lyset
Indtil år 2000 var usynlighed blot en fjern drøm i gamle science fiction-film – en idé, der var lige så langt ude som warp drives og tidsmaskiner. Men ved årtusindskiftet udviklede fysikeren sir John Brian Pendry fra Imperial College i London en teori om et materiale, som dirigerer lysbølger rundt omkring et objekt og derved skjuler genstanden.
Idéen bygger på, at lys bevæger sig gennem forskellige materialer med forskellig hastighed. Fænomenet kendes fra en genstand, fx et sugerør, i et glas vand, hvor det ser ud, som om genstanden knækker i overgangen fra luft til vand, fordi lysbølgerne bevæger sig langsommere gennem vand end luft.
Den nye plasts evne til at bøje lysbølger kan få vigtige civile anvendelser. Hyperstealth har fx udnyttet plasten til at dække et spejl, der sender sollys hen på et solcellepanel. I kombination med et reflektionsgitter spreder spejlet det reflekterede sollys over hele solcellepanelet, så der ikke opstår brændpunkter af koncentreret sollys, som kan ødelægge solcellerne. Når et solcellepanel omgives af specialspejlene fra begge sider samt over og under panelet næsten tredobler det reflekterede sollys elproduktionen fra de mest almindelige solceller af monokrystallisk silicium. Elproduktionen øges også markant fra celler med polykrystallinsk silicium.
1) 30 watt solcelle af monokrystallin uden usynlighedplast
2) 30 watt solcelle af monokrystallin med usynlighedsplast
3) 50 watt solcelle af polykrystallin uden usynlighedsplast
4) 50 watt solcelle af polykrystallin med usynlighedsplast
Genstanden knækker altid til den samme side i naturlige materialer som vand. Det kaldes positiv brydning. Pendry forudsagde imidlertid, at kunstige materialer kunne knække sugerøret den modsatte vej i en såkaldt negativ brydning.
Kunne et materiale med negativ brydning fremstilles, ville der opstå en skjult zone bag materialet, hvor ingen lysbølger passerer. I denne zone vil objekter være usynlige.
Ringe skaber usynlighed
Det tog seks år, før idéen blev til virkelighed. Men i 2006 lykkedes det fysiker David Smith fra Duke University i USA at udvikle et sådant materiale – også kaldet et metamateriale.
David Smiths usynlighedskappe bestod af gennemhullede ringe, der er anbragt inden i hinanden. Objektet, som skal skjules, placeres i midten af ringsystemet. Når både hullerne i ringene og den indbyrdes afstand mellem dem er mindre end lysets bølgelængde, opstår negativ brydning. Derved dirigeres lyset rundt omkring genstanden på samme måde som vandet i en å, der strømmer uden om en sten og samles igen bagefter.
Farveskift nulstiller lyset (1275)
Adskillige forskere arbejder med at skabe usynlighed. Ved forskningscenteret INRS i Canada har forskerne opfundet en metode, de kalder spektral usynlighed. For at frembringe det, skal de først skabe et farvevirvar.
Kameraet ser lysets naturlige refleksion
Den grønne terning er synlig, fordi terningen reflekterer grønt lys tilbage på kameraet. Alle de andre bølgelængder i hvidt lys passerer gennem terningen og sendes ikke retur til kameraet. Sådan opfører lys sig normalt.
Første linse fjerner grønne lysbølger
Når en linse placeres mellem den grønne terning og kameraet, ændrer linsen de grønne bølgelængder i hvidt lys til andre farver. Derfor går alt lyset gennem terningen, og den bliver usynlig for kameraet. Metoden kaldes spektral usynlighed.
Anden linse genskaber det hvide lys
Den anden linse bag terningen virker omvendt og genskaber det oprindelige hvide lys, som blev sendt mod terningen, før de grønne bølgelængder blev fjernet af den første linse. På den måde passerer lyset terningen uden at afsløre den.
Kameraet fanger intet
Den spektrale usynlighedskappe gør altså terningen usynlig både forfra og bagfra, og derfor ser kameraet den ikke. Teknikken virker i hele det synlige spektrum af lys og er ikke begrænset til den grønne farve.
Vejen til praktisk usynlighed var dog stadig lang, fordi den skjulte genstand kun var usynlig for mikrobølger, mens den sagtens kunne ses med det blotte øje. Det problem døjer metamaterialerne stadig med. De kan kun skjule et objekt for nogle få udvalgte bølgelængder af lys.
Simpelt trick fjerner lyset
Canadiske Guy Cramer valgte at gå en langt simplere vej end forskerne – en vej, som senere skulle vise sig at blive et gennembrud i grøn energi.
Hans mål var dog fra starten at udvikle et billigt usynlighedsmateriale, som kan produceres industrielt i stor skala. Inspirationen fandt han i en velkendt illusion ved navn lentikulære linser.
Illusionen kendes nok bedst fra de kort, som viser ét billede fra den ene side, og et andet, når det drejes. Traditionelt skabes bedraget ved at klæbe et billede på den flade bagside af linserne.
Illusionen fungerer, fordi overfladen består af rækker af buede linser, som dirigerer lysets bane. Cramers første trick var at fjerne billedet bag linserne. I stedet anbragte han en lyskilde foran plasten og et objekt i en vinkelret linje bag forhænget.
Plasten havde nu en positiv brydning og sendte lysstrålerne ud til siden og forbi objektet, som derved blev usynligt. Men når beskueren så gennem plasten fra andre vinkler, blev genstanden desværre synlig ligesom et sugerør, der knækker i et glas vand.
Lysbrydning bøjer objekter
Når lys normalt rammer et materiale, sker der en såkaldt positiv brydning. Et eksempel på det er når et sugerør puttes ned i et glas vand. For iagttageren ser det ud som om, at sugerøret bøjer sig en anelse udad, når det sænkes ned glasset med vand.
Linselag afbøjer lyset
Den gennemsigtige plast består af fire lag lentikulære linser, som består af række riller, der placeres skiftevis overfor hinanden. De tvinger lysstrålerne til at brydes i den modsatte retning i stedet for at fortsætte i deres naturlige bane. Det kaldes negativ brydning.
Manden forsvinder
Den negative brydning skaber en usynlig zone bag usynlighedsplasten, som lysstrålerne dirigeres udenom, når de passerer gennem. Stiller en person sig her, vil vedkommende ikke være til at se, og kun baggrunden vil træde frem i usynlighedsmaterialet.
Guy Cramer klæbede derfor to stykker plast med lentikulære linser sammen, så de stod ryg mod ryg. Til Guy Cramers egen overraskelse viste det sig, at han havde fremstillet et simpelt materiale med en negativ brydning, der skabte en ægte usynlighedszone bag plasten.
Men udfordringerne var ikke forbi. Hvis en dobbeltlinse for eksempel gør genboens bil usynlig i carporten foran huset, spejlvender plasten omgivelserne, så parkerede biler langs med fortovet vender den forkerte vej, og det afslører jo manipulationen.
Med den nye teknologi kan solcellers produktion tredobles
Derfor fremstillede opfinderen et plastforhæng med to dobbelte lag af lentikulære linser, som bevarede den usynlige zone og fjernede spejlvendingen af baggrunden. Det er denne usynlighedskappe, som Guy Cramers firma, Hyperstealth, nu har søgt patent på.
Usynligheden virker både i synligt lys og for infrarød varmestråling. Men plastikkappen er stadig en prototype, som ikke er helt perfekt, fordi selve plastforhænget ses som et mat slør. Cramer vurderer imidlertid, at det vil være muligt at udvikle en plast, som er krystalklar og ikke afslører sig selv.
Usynlighed bliver grøn
I mange år har forskere søgt efter metoder til at opfange mest muligt lys i solcellerne, for hvis det er muligt at dirigere de lysstråler, der passerer uden om solcellerne, hen på dem, kan udbyttet øges markant. Traditionelt har brugen af spejle til formålet været hæmmet af, at refleksionen fra det punkt i spejlets overflade, hvor sollyset er mest koncentreret, kan blive så kraftig, at det stærke lys kan ødelægge solcellerne.
Her har Guy Cramers opfindelse afsløret en utilsigtet fordel. Hans usynlighedsmateriale kan nemlig bruges til at sprede strålerne ud, så de ikke skader solcellerne, ved at man dækker et spejl med et lag af plast og et finmasket gitter, som fordeler det indkommende sollys jævnt over hele spejlets overflade.
Ifølge Hyperstealth selv er det lykkedes at tredoble elproduktionen fra de mest almindelige solceller. Derved bringer den nye opfindelse ikke kun lovende nyt for den stadig voksende usynlighedsforskning – teknologien kan også varsle en ny æra i den grønne energi.