Устройство использует принципы термодинамики, чтобы вводить в заблуждение тепловые датчики, и функционирует под любым углом.
Ирина Медведева
Иллюстративное фото. Источник: forbes.com
Ученые из Иллинойса представили первый объемный тепловой «плащ», работающий во всех направлениях. Он делает предметы незаметными для инфракрасных камер, независимо от того, с какой стороны ведется наблюдение. В отличие от прежних разработок, которые были эффективны только в двух измерениях или при определенном угле обзора, новое устройство перенаправляет тепловую энергию вокруг объекта, а не просто блокирует ее. В результате объект словно исчезает.
«Настоящий тепловой плащ должен функционировать независимо от источника тепла. Наше изобретение может скрывать сложный трехмерный предмет в бесчисленном множестве направлений, сохраняя внутри стабильную и защищенную температуру», — пояснил Шелли Чжан, профессор гражданского и экологического строительства Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне.
Конец тепловым сигнатурам?
Обычно такие объекты, как военнослужащие, беспилотники или перегретые микрочипы, обладают отчетливой тепловой сигнатурой. Это позволяет легко обнаруживать их в темноте. Однако инновационный материал полностью убирает эти сигнатуры с инфракрасных экранов, изменяя то, как тепло излучается и воспринимается.
Чтобы решить задачу, над которой материаловеды бились долгие годы, команда обратилась к базовым законам теплопередачи. Обычных готовых материалов оказалось недостаточно, поэтому потребовалась абсолютно новая структура для «плаща». В итоге была создана сложная решетчатая конструкция, напечатанная на 3D-принтере и напоминающая высокотехнологичные соты.
Гибридное устройство, изготовленное физически и успешно протестированное, состоит из алюминиевой решетки с высокой теплопроводностью, напечатанной на 3D-принтере. Эта решетка заполнена резиноподобным материалом с низкой теплопроводностью, который был отлит в форму. Регулировка размеров ячеек решетки в трех измерениях позволила точно настроить локальную теплопроводность. Когда тепловое излучение попадает на «плащ», оно не проникает внутрь объекта. Вместо этого оно огибает внешнюю оболочку, подобно тому, как вода обтекает гладкий камень в реке, и плавно выходит с другой стороны.
Для инфракрасной камеры, направленной на установку, тепловая картина остается совершенно неизменной. Объект исчезает из поля зрения. Прежние технологии давали сбой, если менялась окружающая среда или угол наблюдения. Однако эта инновация сохраняет свою иллюзию даже на сложных поверхностях и в динамичных условиях.
Инженеры из Университета Индианы представили гибридное алюминиево-резиновое маскировочное устройство, напечатанное на 3D-принтере. Оно блокирует тепловое излучение объекта, направляя тепло вокруг него, и делает его невидимым для инфракрасных камер. Источник: University of Illinois Urbana-Champaign
Сферы применения — электроника и военное дело
В ходе испытаний материал подвергался воздействию экстремальных температурных перепадов, а инфракрасная камера фиксировала тепловые потоки. Для стороннего наблюдателя температурное поле выглядело абсолютно обычным, словно никакого скрытого объекта там не было. При этом внутренняя часть скрытой области сохраняла безопасную и стабильную температуру, защищенную от внешних воздействий.
Чтобы расширить границы возможного, исследователи успешно замаскировали объекты с очень сложной геометрией, включая детализированную 3D-модель человеческой головы.
Вариантов применения множество. В сфере потребительской электроники такая маскировка может изменить подход к отводу тепла от постоянно уменьшающихся микрочипов, позволяя направлять разрушительные тепловые потоки в сторону от хрупких компонентов. Разработчики подчеркивают, что их технология открывает принципиально новые возможности не столько для маскировки, но для терморегуляции устройств.
Современные процессоры и чипы выделяют огромное количество тепла, которое необходимо отводить, чтобы избежать перегрева и выхода из строя. Традиционные системы охлаждения, такие как радиаторы и вентиляторы, часто громоздки и недостаточно эффективны для точечного управления тепловыми потоками.
Новый материал позволяет не просто рассеивать тепло, а направлять его по строго заданному пути, огибая чувствительные элементы. Это значит, что будущие смартфоны и ноутбуки смогут стать еще более компактными и мощными, поскольку риск локального перегрева будет сведен к минимуму.
По сути, инженеры получают возможность проектировать внутреннее пространство устройств, не опасаясь, что горячие компоненты повлияют на работу соседних.
В военной области потенциал огромен: танки, дроны и личный состав смогут передвигаться по вражеской территории, оставаясь незаметными для тепловизоров и средств воздушной разведки. В современных конфликтах тепловизионные системы являются одним из главных инструментов разведки и наведения оружия. Возможность сделать танк, бронетранспортер или даже отдельного солдата невидимыми для таких систем кардинально меняет тактику ведения боя.
Однако, как отмечают исследователи, не менее важна и обратная сторона — защита собственных тепловых сенсоров от ложных целей. Противник может использовать аналогичные материалы для создания тепловых ловушек или маскировки ключевых объектов. Поэтому параллельно ведутся работы над созданием детекторов, способных распознавать аномалии в тепловом поле, которые может создавать такой «плащ». Гонка между маскировкой и разведкой выходит на новый, более сложный уровень.
Перспективные варианты использования — космос и «умная одежда»
Интересно, что технология не ограничивается только визуальным сокрытием в инфракрасном спектре. Принцип перенаправления тепловой энергии может быть применен для создания защитных оболочек в экстремальных условиях.
Например, космические аппараты, входящие в плотные слои атмосферы, испытывают колоссальные тепловые нагрузки. Современные теплозащитные экраны абляционного типа, которые сгорают, унося тепло, имеют ограниченный ресурс.
Трехмерная решетка с управляемой теплопроводностью могла бы, теоретически, перенаправлять потоки плазмы вокруг корпуса корабля, снижая нагрев. Пока это лишь гипотеза, но сама идея управления теплом как потоком жидкости, а не просто его поглощения, открывает путь к созданию принципиально новых защитных систем для авиации и космонавтики.
«Эта работа может быть полезна везде, где требуется точный контроль температуры или защита от теплового обнаружения, — отметил Чжан. — Но мы смотрим шире: речь идет о сокрытии и защите информации, передаваемой с помощью тепла».
Следующей целью ученых является создание «умных» плащей. Они намерены разработать материалы, способные распознавать объекты, выделяющие внутреннее тепло, и динамически рассеивать эту энергию по необходимости. В долгосрочной перспективе ученые видят возможность интеграции таких материалов в «умную» одежду.
Представьте себе костюм, который не только скрывает тепловую сигнатуру человека, но и автоматически регулирует его температуру тела в зависимости от окружающей среды. В жару он будет отводить избыточное тепло наружу, а в холод — удерживать его внутри, подобно современной термоодежде, но с гораздо более высоким КПД и без утяжеления. Для спасателей, работающих в зонах пожаров, или для полярников это стало бы революцией.
Однако на пути к такой одежде стоят серьезные технологические барьеры: материал пока жесткий и требует точной 3D-печати. Тем не менее, каждый шаг в этом направлении приближает эпоху, когда управление теплом станет таким же обыденным, как управление светом или звуком.
Это международный проект, выполненный совместно с Датским техническим университетом (DTU). Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.
