Isıyı yönlendiren üç boyutlu pelerin kızılötesi kameradan saklıyor

Bilim insanları, nesneleri kızılötesi kameralardan gizleyebilen ve aynı zamanda aşırı sıcak ya da soğuktan koruyabilen ilk üç boyutlu termal görünmezlik pelerinini geliştirip denedi. Cihaz ısıyı engellemek yerine gizlenen bölgenin çevresinden dolaştırıyor. Böylece termal görüntüde sanki orada hiçbir şey yokmuş gibi bir sıcaklık deseni ortaya çıkıyor.

Önceki denemelerin sınırı aşıldı

Daha önce geliştirilen termal pelerinler ya yalnızca iki boyutta çalışıyordu ya da ısı belirli bir yönden geldiğinde işe yarıyordu. Yeni tasarım bu kısıtları aşıyor. Farklı biçimlerdeki nesneleri, ısının hangi yönden yaklaştığına bakmaksızın gizleyebiliyor.

Çalışmayı Illinois Urbana-Champaign Üniversitesi'nden inşaat ve çevre mühendisliği profesörü Shelly Zhang, doktora sonrası araştırmacı Weichen Li ve lisansüstü öğrencisi Yibo Wang yürüttü. Danimarka Teknik Üniversitesi'nden profesör Ole Sigmund da projede iş birliği yaptı. Bulgular Nature Communications dergisinde yayımlandı. Zhang, gerçek bir termal pelerinin ısının nereden geldiğinden bağımsız çalışması gerektiğini söylüyor. Ona göre cihaz, karmaşık üç boyutlu bir nesneyi sonsuz sayıda yönde gizlerken içerideki sıcaklığı da dengede ve korunmuş halde tutabiliyor.

Üç yönde ayarlanabilen yeni malzeme

Ekip, ısıyı özel tasarlanmış malzemelerle yönlendirmeyi inceleyen dönüşüm termotiği alanının temel ilkelerine yeniden döndü. Çıkış noktası şu soruydu: Kusursuz bir pelerin için gereken ısıl özelliklerin neredeyse tamamını hangi malzeme yapısı karşılayabilir?

Yanıt, yapısı üç yönde birbirinden bağımsız ayarlanabilen kafes tabanlı bir malzeme oldu. Bu ayarlar, pelerinin farklı bölümlerinde ısının ne kadar verimli geçeceğini denetlemeye olanak veriyor. Önceki tasarımlarla karşılaştırıldığında malzeme çok daha geniş bir ısıl iletkenlik aralığına ulaşabiliyor ve ideal pelerin için öngörülen özelliklere yaklaşıyor.

Araştırmacılar bilgisayar benzetimleriyle yetinmedi, çalışan bir cihaz da üretti. Isıyı verimli ileten karmaşık bir alüminyum kafesi üç boyutlu metal baskıyla ürettiler. Kalan boşlukları ise ısıyı zayıf ileten, kauçuğu andıran bir malzemeyle kalıp dökümü yoluyla doldurdular. İki malzemenin birleşimi ısının hareketini hassas biçimde yönlendiren bir yapı oluşturdu.

Kızılötesi kamera testi

Test için cihaz sıcak ve soğuk bölgeler arasına yerleştirildi. Oluşan sıcaklık farkı ısının çevre ortamdan akmasına yol açtı. Ekip sıcaklık desenlerini kızılötesi kamerayla izledi.

Deneylerde pelerin, ısıyı gizlenen bölgenin çevresinden dolaştırırken çevredeki sıcaklık desenini korudu. Kızılötesi kameraya göre bu alan, nesne hiç yokmuş gibi görünüyordu. Pelerinin içindeki sıcaklık da düzgün kaldı; yani saklanan bölge dışarıdaki aşırı koşullardan korundu. Araştırmacılar ayrıca insan başını andıran ayrıntılı üç boyutlu biçimler de dahil olmak üzere oldukça karmaşık geometrileri başarıyla gizledi. Ekibe göre önceki deneysel termal pelerinler bu düzeyde geometrik karmaşıklıkla gizleme başarımını bir arada göstermemişti.

Arka plan

Kızılötesi kameralar nesnelerin yaydığı ısıyı algılar ve bunu sıcaklık haritasına çevirir. Bir cisim çevresinden daha sıcak ya da soğuksa görüntüde belirgin biçimde ayrışır. Termal pelerin fikri de bu ayrışmayı ortadan kaldırmaya dayanır: ısı akışı, gizlenen bölgenin dışında hiçbir şey olmamış gibi görünecek şekilde yönlendirilir.

Bu yaklaşım, ışığı bir nesnenin etrafından kıvırmayı hedefleyen görünmezlik pelerini çalışmalarından esinlenen bir mühendislik fikridir. Işıktan farkı, ısının dalga gibi yayılmak yerine çoğunlukla iletim yoluyla ilerlemesidir. Bu nedenle malzemenin farklı noktalarda ısıyı ne kadar iyi ya da kötü ilettiğini kontrol etmek belirleyici olur.

Neden önemli?

Isıyı üç boyutta ve her yönden denetleyebilmek, elektronikte soğutma sorununa yeni bir bakış açısı getirebilir. Araştırmacılara göre teknoloji, hassas bileşenlerden ısıyı uzaklaştırmaya, mikroçiplerde ısı yönetimini iyileştirmeye ve zorlu koşullarda çalışan cihazları korumaya yardımcı olabilir.

Güvenlik ve savunma alanında da potansiyel görülüyor. Gelecekte benzer sürümler insanları ya da ekipmanları termal algılama sistemlerinden saklamaya veya değerli varlıkları ağır sıcaklık koşullarından korumaya katkı sağlayabilir. Bunların henüz gelecek senaryosu olduğunu belirtmek gerekir; laboratuvarda gösterilen şey, dışarıdan gelen ısıyı yönlendirip korunan bölgenin ısıl kararlılığını sürdürebilen çalışan bir prototip. Zhang da hassas ısı denetimine ya da ısıl olarak algılanmaktan korunmaya ihtiyaç duyan her alanın bu çalışmadan yararlanabileceğini söylüyor.