Ученые из США и Дании разработали и испытали трехмерное устройство, способное скрывать объекты от инфракрасных камер, одновременно защищая их от экстремальных температур. В отличие от предыдущих разработок, новый термальный плащ-невидимка работает с объектами сложной формы и позволяет управлять потоками тепла практически с любого направления. Технология может найти применение в охлаждении микрочипов, защите чувствительной электроники и системах маскировки от теплового обнаружения.

Исследование провели специалисты Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне совместно с коллегой из Технического университета Дании. Результаты опубликованы в научном журнале Nature Communications.

Как работает тепловая невидимость

Обычные камеры фиксируют инфракрасное излучение, связанное с температурой объектов. Благодаря этому они позволяют обнаруживать людей, технику и другие предметы даже в темноте, когда обычная оптическая камера практически бесполезна.

Новая разработка позволяет обойти этот принцип обнаружения. Устройство не блокирует тепло, а направляет его потоки вокруг скрываемого объекта. В результате распределение температуры за плащом остается таким, каким оно было бы в отсутствие препятствия. Для инфракрасной камеры объект становится практически неразличимым на фоне окружающей среды. При этом плащ выполняет еще одну функцию: защищает находящееся внутри пространство от внешних температурных воздействий. Таким образом, технология одновременно обеспечивает тепловую маскировку и температурную изоляцию.

«Настоящий тепловой плащ должен работать независимо от того, откуда поступает тепло», — отметила руководитель исследования, профессор кафедры гражданского строительства и экологической инженерии Университета Иллинойса Шелли Чжан. По ее словам, разработка позволяет скрывать сложные трехмерные объекты с практически любого направления, сохраняя стабильную температуру внутри конструкции.

Алюминий и резиноподобный материал управляют потоками тепла

Создание полноценного трехмерного термального плаща долгое время оставалось сложной научной задачей. Ранее экспериментальные устройства могли перенаправлять тепло преимущественно вдоль плоской поверхности либо работали только при определенном направлении теплового потока. Это ограничивало их возможности и не позволяло обеспечить полноценную маскировку объектов в трехмерном пространстве. Для решения проблемы исследователи обратились к принципам трансформационной термотики - научного направления, изучающего способы управления распространением тепла с помощью специально сконструированных материалов.

Ключевым элементом разработки стала решетчатая структура, свойства которой можно независимо регулировать по трем пространственным направлениям. Благодаря этому удается контролировать, насколько эффективно тепло проходит через разные участки конструкции, и создавать более широкий диапазон теплопроводности, чем позволяли предыдущие решения. Само устройство изготовили с использованием двух материалов с противоположными свойствами. Сначала с помощью трехмерной металлической печати исследователи создали сложную алюминиевую решетку, обеспечивающую эффективное проведение тепла. Затем оставшиеся полости заполнили резиноподобным материалом, который плохо проводит тепло.

Сочетание этих компонентов позволяет направлять тепловую энергию по заданным траекториям, обходя область, которую необходимо скрыть. При этом конструкция не просто препятствует распространению тепла, а управляет его распределением в трех измерениях.

От охлаждения микрочипов до военных технологий

Одна из возможных областей применения разработки - электроника. Современные микрочипы и другие высокопроизводительные компоненты выделяют значительное количество тепла, а перегрев может ограничивать их производительность и срок службы.

Технология управления тепловыми потоками в трех измерениях потенциально позволит отводить тепло от чувствительных компонентов, улучшать охлаждение электронных устройств и защищать оборудование, работающее в условиях значительных температурных перепадов.

Другое возможное направление — защита оборудования от экстремальных температур. Поскольку устройство позволяет направлять внешние тепловые потоки в обход защищаемой области, этот принцип может оказаться полезным при создании систем термозащиты для различных технических устройств.

Отдельный интерес представляет применение технологии для маскировки от инфракрасного обнаружения. В перспективе подобные конструкции могут помочь скрывать тепловые сигнатуры оборудования и других объектов, затрудняя их обнаружение с помощью тепловизионных систем.

Однако результаты исследования не означают, что уже создан универсальный плащ, способный сделать невидимым человека или любую технику в реальных условиях. Пока продемонстрирована работа конкретной конструкции, перенаправляющей внешние тепловые потоки. Возможности ее практического применения, в том числе для маскировки объектов в меняющихся условиях, еще предстоит изучить.

Как подчеркнула Чжан, технология может быть полезна в любой области, где требуется точно управлять теплом или предотвращать обнаружение объектов по их тепловому излучению. Более широкая идея разработки заключается в возможности контролировать информацию, которую несет тепло.

Следующий шаг — скрыть объекты, которые сами выделяют тепло

Несмотря на успешные испытания, исследователям предстоит решить еще одну важную задачу: научиться скрывать объекты, которые сами производят тепло. Нынешняя конструкция перенаправляет тепловую энергию, поступающую извне, и защищает внутреннюю область от температурных воздействий. Но если скрываемый объект самостоятельно выделяет тепло, его тепловая сигнатура может нарушить температурную картину и выдать его присутствие.

Для решения этой проблемы потребуются более совершенные материалы и конструкции, способные активно управлять тепловой энергией внутри скрываемой области. Речь идет о возможности концентрировать, распределять и направлять тепло в зависимости от изменяющихся условий. Такие усовершенствования могли бы расширить применение технологии — от более эффективного управления температурой электронных компонентов до создания систем, способных адаптироваться к внешним условиям и затруднять инфракрасное обнаружение.

«Мы показали, что настоящий всенаправленный трехмерный тепловой плащ-невидимка возможен. Следующий шаг — создать плащи, которые не просто скрывают и защищают, но и активно управляют теплом полезными способами», — заключила Чжан.