Nauczyliśmy się chować ciepło. Genialny patent, chodzi o kształt

Kamera termowizyjna patrzy na osłonę, za którą znajduje się przedmiot, ale nie widzi charakterystycznego śladu jego obecności. Ciepło opływa ukryty obiekt, a pole temperatury po drugiej stronie odzyskuje niemal niezakłócony kształt. Po latach eksperymentów z płaskimi i kierunkowymi osłonami naukowcy zbudowali pierwszy tak złożony płaszcz termiczny działający w trzech wymiarach.

Określenie peleryna niewidka brzmi jak żywcem wyjęte z powieści fantasy, ale oznacza coś zupełnie innego, niż mogłoby się nam wydawać. To nie jest miękka peleryna, którą można zarzucić na ramiona i zniknąć z obrazu kamery termowizyjnej. Mówimy o sztywnej, trójwymiarowej konstrukcji, zaprojektowanej z myślą o konkretnym kształcie i bardzo precyzyjnie kontrolowanym przepływie ciepła.

Osłona nie blokuje promieniowania podczerwonego jak ekran ustawiony przed kamerą. Nie jest również zwykłą warstwą izolacji, która zatrzymuje ciepło w środku. Jej zadanie jest znacznie bardziej wymagające, Musi bowiem tak pokierować energię cieplną wokół przedmiotu, aby na zewnątrz nie powstało zaburzenie zdradzające jego obecność.

Każdy obiekt wykonany z materiału przewodzącego ciepło inaczej niż otoczenie zmienia rozkład temperatury. Linie odpowiadające tej samej temperaturze zakrzywiają się przy jego powierzchni, podobnie jak strumień wody omijający kamień. Kamera termowizyjna może zarejestrować taką anomalię nawet wtedy, gdy samego przedmiotu bezpośrednio nie widać.

Nowa osłona prowadzi ciepło przez starannie zaprojektowaną sieć kanałów. Energia omija chronioną przestrzeń, a po drugiej stronie ponownie układa się w niemal proste i równoległe warstwy. Dla urządzenia mierzącego temperaturę wygląda to tak, jakby w jednorodnym materiale nie znajdowała się żadna przeszkoda.

Pierwsza demonstracja została celowo zaprojektowana tak, aby nie przypominała prostego pudełka ani regularnej kuli. Ukrywany obszar miał kształt jabłka, natomiast zewnętrzna powierzchnia osłony przypominała gruszkę. Wcześniejsze osłony termiczne najczęściej działały dla prostych, symetrycznych geometrii, np. cylindrów, okręgów albo warstw rozciągniętych w jednym kierunku. Takie konstrukcje były przydatne do potwierdzenia teorii, ale słabo odpowiadały rzeczywistym przedmiotom.

Silnik, bateria, procesor, głowica obserwacyjna czy element maszyny nie mają kształtu idealnej kuli. Są pełne zagłębień, wypukłości, przewodów i powierzchni ustawionych pod różnymi kątami. Osłona przeznaczona do praktycznego zastosowania musi więc radzić sobie z nieregularną geometrią.

Badacze z Uniwersytetu w Illinois pokazali, że metoda pozwala projektować płaszcze o niemal dowolnych powierzchniach wewnętrznych i zewnętrznych. Stworzyli modele przypominające m.in. serce i ludzkie twarze. W najbardziej skomplikowanym przykładzie wewnętrzna przestrzeń miała kształt twarzy mężczyzny w okularach, a dwie strony zewnętrznej osłony odwzorowywały inne twarze.

Sercem osłony jest przestrzenna kratownica złożona z trzech grup prętów biegnących w różnych kierunkach. Została wykonana ze stopu aluminium AlSi10Mg za pomocą druku 3D z metalu. Technika polega na spiekaniu kolejnych warstw proszku metalowego przy użyciu lasera.

Pamiętajmy, że aluminium bardzo dobrze przewodzi ciepło. Wykorzystany stop osiągał przewodność cieplną około 113 W na metr i kelwin. Puste przestrzenie pomiędzy metalowymi elementami wypełniono natomiast PDMS, czyli elastycznym polimerem przypominającym gumę. Jego przewodność wynosiła zaledwie około 0,16 W na metr i kelwin.

Różnica między tymi materiałami jest więc ponad 700-krotna. Aluminiowa sieć tworzy szybkie drogi dla przepływu energii, a polimer spowalnia ciepło w miejscach, w których nie powinno przemieszczać się równie łatwo.

Nie cała osłona została wydrukowana w jednym procesie. Drukarka wykonała metalową kratownicę z elementami o minimalnym rozmiarze około 0,5 mm. Części polimerowe oraz otaczający konstrukcję materiał przewodzący powstały później przez odlewanie w formach.

W efekcie otrzymano hybrydowy metamateriał. Jego niezwykłe właściwości nie wynikają wyłącznie ze składu chemicznego, ale przede wszystkim z geometrii wewnętrznej. Te same aluminium i PDMS ułożone w zwykłe warstwy nie dałyby porównywalnego efektu.

Do zbudowania osłony nie wystarczyło wymieszanie dobrego przewodnika z izolatorem. Przewodność cieplna musi zmieniać się w różnych częściach konstrukcji i zależeć od kierunku przepływu energii.

Taką właściwość nazywa się anizotropią. W zwykłym jednorodnym materiale ciepło może rozchodzić się podobnie we wszystkich kierunkach. W opracowanym metamateriale jeden fragment łatwo przewodzi je wzdłuż powierzchni, ale znacznie słabiej w stronę ukrytego wnętrza. Kilka milimetrów dalej proporcje są już inne.

Projektanci regulowali przekroje trzech grup prętów tworzących pojedyncze komórki kratownicy. Grubszy element prowadził więcej ciepła, natomiast cieńszy ograniczał jego przepływ. Zmieniając te wymiary w całej objętości osłony, można było uzyskać płynny przestrzenny rozkład właściwości.

Punktem wyjścia dla naukowców była termotyka transformacyjna, czyli teoria opisująca takie przekształcenie współrzędnych, aby strumień ciepła zachowywał się, jakby omijał niedostępną przestrzeń. Matematyczny model wskazuje, jaka przewodność jest potrzebna w każdym miejscu i kierunku. Najtrudniejsze pozostaje przełożenie tych abstrakcyjnych wartości na strukturę, którą da się rzeczywiście wyprodukować.

Badacze rozwiązali ten problem za pomocą procesu nazywanego dehomogenizacją. Najpierw traktowali płaszcz jak ciągły materiał o zmieniających się właściwościach, a następnie zamieniali go w konkretną, połączoną kratownicę. Dzięki temu nie trzeba było projektować osobno każdego z tysięcy elementów metodą prób i błędów.

W teście laboratoryjnym próbkę umieszczono pomiędzy dwiema aluminiowymi płytami. Jedna była podgrzewana elektrycznie do temperatury 40 st. C, natomiast druga stykała się z wodą z lodem. W ten sposób powstała wyraźna różnica temperatur wymuszająca przepływ ciepła przez cały układ.

Po 60 minutach, gdy rozkład temperatury się ustabilizował, naukowcy obserwowali przednią i tylną powierzchnię za pomocą szybkiej kamery podczerwonej. Próby przeprowadzono przy przepływie ciepła skierowanym pionowo oraz poziomo.

Bez osłony chłodniejszy obiekt wewnętrzny wyraźnie zakrzywiał linie temperatury. Po włożeniu płaszcza zewnętrzne pole stało się niemal liniowe. Kamera rejestrowała równoległe pasy temperatury zarówno z przodu, jak i z tyłu próbki.

Jednocześnie wewnątrz płaszcza powstawało szerokie wypłaszczenie temperatury. Oznacza to, że przez chroniony obszar przepływało niewiele energii, a jego temperatura pozostawała bardziej jednorodna niż bez osłony. Konstrukcja nie tylko maskowała obecność obiektu, ale też chroniła go przed zewnętrznymi skrajnościami cieplnymi.

Dla układu jabłka ukrytego w gruszce względna różnica temperatury wynosiła 0,037 przy ogrzewaniu w jednym kierunku i 0,079 w drugim. W tej skali 1 odpowiadał nieosłoniętemu obiektowi, a 0 oznaczał idealne ukrycie. Wyniki były więc bliskie wzorcowemu, niezaburzonemu polu.

Hasło o działaniu z każdej strony trzeba trochę sprostować. Nie sprawdzano tego dla wszystkich możliwych ustawień. W laboratorium testy przeprowadzono dla dwóch głównych kierunków przepływu ciepła, obserwując próbkę od przodu i od tyłu.

Pełną wielokierunkowość sprawdzano również w trójwymiarowych symulacjach. Geometria kratownicy została zaprojektowana w całej objętości, a nie tylko w jednym płaskim przekroju. Dzięki temu osłona nie jest zwykłym profilem 2D rozciągniętym w głąb i powinna zachowywać swoje właściwości niezależnie od kierunku zewnętrznego gradientu temperatury.

Przeczytaj także:

Dla kilku prostszych kształtów błąd w symulacjach pozostawał poniżej 0,08 we wszystkich analizowanych osiach. Bardziej nieregularne konstrukcje osiągały wyniki poniżej 0,15. Najtrudniejszy model ludzkiej twarzy działał słabiej, ale nadal znacząco ograniczał zaburzenie pola temperatury.

To jest główna różnica względem wcześniejszych rozwiązań. Tamte prototypy działały dobrze tylko w bardzo konkretnych warunkach, gdy ciepło płynęło dokładnie tak, jak przewidzieli to projektanci. Wystarczyło zmienić ustawienie próbki albo przesunąć źródło temperatury i cały efekt znikał.