Ein Forschungsteam der University of Illinois Urbana-Champaign hat eine Art Thermomantel entwickelt, der Objekte vor einer Detektion mit Infrarotkameras schützt. Die Objekte dürfen allerdings selbst keine Wärme erzeugen. Zugleich schützt die Ummantelung aus dem 3D-Drucker vor extremen Temperaturen. Der Thermomantel funktioniert rund um das Objekt von allen Seiten.

„Ein echter Thermomantel sollte unabhängig davon funktionieren, woher die Wärme kommt“, sagt Shelly Zhang, Professorin für Bau- und Umweltingenieurwesen an der University of Illinois Urbana-Champaign. „Unser Bauteil kann ein komplexes 3D-Objekt aus unendlich vielen Richtungen verbergen und gleichzeitig die Temperatur im Inneren stabil und geschützt halten.“

Frühere Konstruktionen waren lediglich in der Lage, nur aus einer bestimmten Richtung – also zweidimensional – oder entlang einer einzigen Wärmeflussrichtung ein Objekt vor Infrarotkameras zu verbergen. Der Thermomantel der Forscher der University of Illinois Urbana-Champaign blockiert die auftreffende Wärme allerdings nicht, sondern leitet sie um das Objekt herum. Für eine Infrarotkamera sieht es dann so aus, als sei dort nichts vorhanden, wie aus der Studie „Free-form thermal cloaks in three dimensions“ hervorgeht, die in Nature Communications erschienen ist.

Wärmeumleitung

Der Thermomantel besteht aus einem neuartigen, gitterbasierten Hybridmaterial, das sich mit einem 3D-Drucker in beliebiger Form ausdrucken lässt. Im Wesentlichen handelt es sich um ein gedrucktes Metallgitter, dessen Zwischenräume mit einem gummiartigen Material mit niedriger Wärmeleitfähigkeit ausgefüllt sind. Die Form des Mantels bestimmt dabei, wie gut verschiedene Bereiche des Mantels Wärme um ein Objekt herumleiten. Die Forscher können über dreidimensionale Anpassungen des Mantels die lokale Wärmeleitfähigkeit präzise steuern. Die nötige Form des Thermomantels für ein Objekt ermitteln die Wissenschaftler mit Computermodellierungen, die auf mathematischen Grundlagen der Wärmeübertragung basieren.

Die Forscher wendeten die Thermomäntel auf unterschiedliche, komplexe geometrische Objekte an. Darunter befanden sich auch kopfähnliche Formen. Mit einer Infrarotkamera verfolgten sie dann den Wärmefluss um den Thermomantel herum. Das Temperaturfeld wirkte dabei so, als sei das Objekt nicht vorhanden. Die Temperatur im Inneren des Tarnmantels blieb dabei weitgehend gleich. Die Wissenschaftler stellten fest, dass die von ihnen konstruierten experimentellen Thermomäntel eine bisher unerreichte Leistungsfähigkeit aufweisen.

Anwendungsmöglichkeiten und weitere Forschung

Die Anwendungsmöglichkeiten sind vielfältig – etwa in den Bereichen Sicherheit und Verteidigung. So lassen sich mit der Technik Ausrüstungsgegenstände vor Infrarotkameras verbergen. Zudem können beliebige Objekte mit den Thermomänteln vor extremer Wärme geschützt werden.

Die Forscher wollen nun an intelligenten und multifunktionalen Thermomänteln forschen. Diese sollen dann auch Objekte verbergen, die selbst Wärme ausstrahlen. Der Mantel müsste dann in der Lage sein, Wärme innerhalb des geschützten Bereiches je nach Bedarf zu konzentrieren, zu verteilen und zu lenken.

Die Forschungsarbeit an dem Thermomantel der Wissenschaftler der University of Illinois Urbana-Champaign wird von der National Science Foundation, der Villum Foundation und dem Air Force Office of Scientific Research mitfinanziert.

(olb)