Tarnkappe

US-Forscher haben erstmals gezeigt, dass sich ein Objekt aus sogenanntem Metamaterial vor elektromagnetischer Strahlung verstecken lässt. Sie berichten darüber in einem bei Science Express Online veröffentlichten Artikel [1]. Die an der Pratt School of Engineering der Duke University in Durham (North Carolina) entwickelte Tarnkappe beeinflusst elektromagnetische Wellen so, dass die Störung durch die Tarnkappe und das darin verborgene Objekt kaum messbar ist. Anders als bisherige Tarnmaterialien reduziert sie nicht nur die Reflexion, sondern auch den durch Vorwärtsstreuung verursachten Schatten.

Grundlage für das Experiment ist eine gemeinsam mit John Pendry vom Imperial College in London entwickelte Theorie. Die von der Forschungsagentur des Verteidigungsministeriums der Vereinigten Staaten (DARPA) in ihrem Programm zu Metamaterialien [2] geförderte Arbeit wurde im Mai 2006 ebenfalls in Science Express veröffentlicht.

In ihr werden Metamaterialien beschrieben, das sind Objekte mit speziellen makroskopischen Strukturen. Für Mikrowellen wurden bereits Metamaterialien hergestellt, die einen negativen Brechungsindex aufweisen. Mikrowellen deshalb, weil die Metamaterialstruktur wegen der im Vergleich zum Licht großen Wellenlänge groß ausfällt. Die Herstellung der filigranen Strukturen fällt dann leichter.

Solche Objekte lassen eine ganze Reihe von Anwendungen zu: Im Fokus stehen Beschichtungen für Tarnkappenflugzeuge, gerichtete Antennen oder Superlinsen, die jenseits der Beugungsgrenze funktionieren. Insbesondere Forschungen zu letzterem brachten in den letzten Jahren enorme Fortschritte.

Die gemeinsam mit Pendry entwickelte Theorie lieferte dem Forscherteam an der Duke University nun eine präzise mathematische Funktion, die strukturelle Details eines zur Tarnung verwendbaren Metamaterials beschreibt. Die Forscher verwendeten ein üblicherweise für Leiterplatten genutztes Trägermaterial aus PTFE/Mikroglasfaser (Duroid 5870), das besonders geringe Streuung und Verluste aufweist. Sie konstruierten daraus ein in der Aufsicht entfernt an ein Spinnennetz erinnerndes Gebilde.

An der Außenseite der Ringe dieser Tarnvorrichtung brachten sie speziell geformte Elemente aus Kupferfilm auf. Die radialen Duroid-Elemente erhielten Kerben, um in der Mitte der Tarnkappe einen Kupferzylinder unterbringen zu können. Mit dieser Konstruktion erreichten die Forscher, dass die Wellen nach dem Passieren der Tarnvorrichtung nahezu so aussahen, als ob sie ungestört einen leeren Raum durchquert hätten.

Beim Experiment gab es allerdings noch einige entscheidende Einschränkungen. Die Tarnvorrichtung funktioniert nur zweidimensional: Die elektromagnetischen Wellen müssen sich in der gleichen Ebene ausbreiten, in der die Tarnvorrichtung liegt, sodass sie senkrecht auf den äußeren Ring auftreffen. Zudem ist das Frequenzband stark eingeschränkt: Die Geometrie der Vorrichtung ist ausgelegt auf Mikrowellen mit einer Frequenz von 8,5 GHz, die senkrecht zur Ebene polarisiert sein müssen. Wegen einiger experiementeller Vereinfachungen bei der Umsetzung der Theorie verschwand die Reflexion der Tarnkappe außerdem nicht völlig.

Die ultimative Tarnvorrichtung für alle Zwecke ist also noch lange nicht entwickelt. Das Verdienst der Forscher liegt darin, das Prinzip überhaupt gezeigt zu haben. Die Versuche beweisen, dass man tatsächlich ausgehend von der Theorie gezielt Metamaterialien mit vorgegebenen Eigenschaften entwickeln kann. Die Forscher reklamieren für sich, die ersten zu sein, denen es gelungen ist, dies auch für ein nicht rechtwinkliges Metamaterial umzusetzen.

Für eine praktische Anwendung müssen die Experten jedoch noch eine Vielzahl von Aufgaben lösen. Materialien für einen Unsichtbarkeitsmantel, wie ihn Harry Potter benutzt, müssten den gesamten sichtbaren Wellenlängenbereich ablenken können und dies auch noch dreidimensional. Das soll nach der Theorie zwar möglich sein, aber wie das aussehen soll, weiß noch niemand. Dass man es wirklich schafft, alle dabei auftretenden Probleme zu lösen, scheint auch den Wissenschaftlern um David Schurig noch keineswegs ausgemacht, auch wenn die Theorie dafür grünes Licht gibt.

Literatur

[1] David Schurig et al, Metamaterial Electromagnetic Cloak at Microwave Frequencies, erschienen am 19. 10. 06 in Science Express (Science DOI: 10.1126/science.1133628):

[2] DARPA-Programm zu Metamaterialien

[3] Erklärungen des Forscherteams zum Experiment als Realplayer-Video (anm)