Harry Potter kann es, Bilbo Beutlin kann es, und Siegfried kann es schon lange – na klar, hier geht’s um Unsichtbarkeit. Wer hat sich das nicht schon mal – aus mehr oder weniger lauteren Motiven – gewünscht? Unsichtbarkeit auch technisch umzusetzen, ist natürlich ziemlich knifflig.

Vor einigen Jahren machten sogenannte “Metamaterialien” von sich reden, mit denen elektromagnetische Wellen um ein Objekt “herumgebogen” werden können. Metamaterialien sind aber ziemlich aufwändig (man muss komplexe Mikrostrukturen auf der Längenskala der Wellenlänge aufbauen). Vor kurzem wurde jetzt ein anderer, zumindest vom Prinzip her wesentlich einfacherer “Unsichtbarkeitsschirm” hergestellt – allerdings funktioniert er nur in Flüssigkeiten wirklich gut.

Der Trick dahinter ist ziemlich einfach: Es ist das Fata-Morgana-Prinzip. Eine Fata Morgana ist ja die Illusion einer Wasserfläche, die durch eine Luftspiegelung zu Stande kommt (in der Wüste “das Ende der Welt” werden auch alle möglichen anderen Dinge von überall auf der Welt gespiegelt, aber das ist eine physikalische Ausnahmeerscheinung): Direkt über dem Boden ist die Luft heißer als weiter vom Boden entfernt. Dadurch werden Lichtstrahlen “gebogen”, so wie in diesem schönen Bild von Wikipedia:

Fatamorganarp.png
Von Nico – Eigenes Werk, CC BY-SA 2.5, Link

Man kann das auf zwei Arten erklären: Die eine ist der veränderte Brechungsindex, der das Licht umlenkt. Viel eleganter ist allerdings die Erklärung über das sogenannte Fermatsche Prinzip, das besagt: Licht nimmt immer den Weg mit der kürzesten Laufzeit.1 Dass man damit die Lichtbrechung erklären kann, illustriere ich mit einem berühmten Beispiel.

1Für alle PedantInnen und solche, die es werden wollen: Ja, ganz korrekt müsste es “Weg der extremalen Laufzeit” heißen, aber ist dieser Blog wirklich der richtige Tummelplatz für sowas?

Stellt euch vor, ihr seid der berühmte Rettungsschwimmer David H. (oder alternativ die berühmte Rettungsschwimmerin Pamela A). Während ihr euren sonnengebräunten Körper am Strand von M unter den bewundernden Blicken anderer Badegäste zur Schau stellt, hört ihr plötzlich die Schreie eines/r Ertrinkenden. So etwa stellt sich die Situation für euch dar:

Optimale Rettung.png
Von Jan SendeEigenes Werk, CC BY-SA 3.0, Link

Wenn ihr euch auf direkter Sichtline bewegt, ist zwar die Strecke am kürzesten, aber trotz eurer beeindruckenden Armmuskulatur seid ihr im Wasser natürlich langsamer als an Land. Lauft ihr dagegen erst ein Stück den Strand entlang, bis ihr den kürzesten Schwimmweg habt, so müsst ihr dafür ein längeres Stück laufen. Der optimale Weg liegt irgendwo dazwischen. Statt einfach loszulaufen, hockt ihr euch also in den Sand und beginnt, eine kleine Rechnung anzustellen. Badegäste, die euch auf das arme Badeunfallopfer aufmerksam machen wollen, jagt ihr mit einem ärgerlichen “Störe meine Kreise nicht” davon (das macht man so, wenn man im Sand schreibt). Nach einiger Überlegung zur Geschwindigkeit im Wasser und an Land habt ihr den optimalen Weg heraus gefunden, um leider zu bemerken, dass…

Nun ja, lassen wir das, ich bin ja Blogger, kein Geschichtenerzähler. Kommen wir lieber wieder zurück zum Licht: Licht läuft in einem Medium wie Wasser oder Glas langsamer als im Vakuum. Genau wie beim Schwimmerbeispiel ergibt sich der schnellste Weg für einen schräg auf einen Glasklotz fallenden Lichtstrahl als ein Kompromiss aus der direkten Sichtlinie und dem Weg mit kürzester Strecke im Glas. Wenn ihr das vorgerechnet haben wollt, könnt ihr bei Wikipedia nachgucken.

Hier kümmern wir uns lieber um unsere Fata Morgana: In der heißeren Luft direkt über dem Boden läuft das Licht schneller – sie hat, vornehm ausgedrückt, einen niedrigeren Brechungsindex. Deswegen kann das Licht vom Himmel zu eurem Auge Zeit sparen, wenn es ein Stück durch diesen Bereich läuft, wo es einfach schneller ist.

Stellt euch nun vor, dort wo ihr die Fata Morgana seht, läge ein Geldstück auf der Straße. Das könntet ihr nicht sehen, weil es ja von der Fata Morgana überdeckt wird. Und das ist auch schon der Trick hinter der Unterwasser-Tarnkappe.

Vom Prinzip her also einfach – die technische Umsetzung ist allerdings durchaus knifflig. Damit sich das Prinzip umsetzen lässt, muss man das Medium, in dem man den Effekt ausnutzen will, an der richtigen Stelle hinreichend stark aufheizen. In dem hier beschriebenen Versuch wurde dies mit einer Anordnung aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen gemacht, die zu einer Art Folie gezogen wurden:

i-c4b347aa7806eb7cd2ac0e076dcc447e-carbonNanosheet.jpg

Kohlenstoff-Nanoröhrchen haben den Vorteil, eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit zu besitzen – gleichzeitig sind sie sehr leicht und nehmen deswegen selbst wenig Wärme auf. Ich klaue mal wieder ein Bild von Wikipedia: [sorry wegen des ganzen Gedöns unter dem Bild, aber ihr wisst schon, Copyright-Kram…]

Types of Carbon Nanotubes.png
Von User Mstroeck on en.wikipedia – Originally from en.wikipedia; description page is (was) here
23:30, 1 February 2006 Mstroeck
22:49, 1 February 2006 Mstroeck
22:40, 1 February 2006 Mstroeck
Version of 22:51, 1 July 2007 uploaded on behalf of en:User:Ma Baker. Lucasbfr 22:56, 1 July 2007 (UTC), CC BY-SA 3.0, Link

Die Kohlenstoffatome in den Nanoröhrchen sind in Wabenform angeordnet – dabei hat jedes von ihnen drei nächste Nachbarn. Wenn ihr im Chemieunterricht gut aufgepasst habt, dann fällt euch auf, dass das insofern komisch ist, als Kohlenstoff doch vierwertig ist und deswegen eigentlich jedes Atom an vier andere gebunden sein sollte. Das gibt es auch (nennt man Diamant), aber in den Nanoröhrchen (und auch im Graphit einer Bleistiftmine) ist das nicht so. Die “überzähligen” Elektronen bilden eine Art Elektronengas, ganz ähnlich wie in einem Metall, und sorgen so für die elektrische und die Wärmeleitfähigkeit.

Eine Folie aus solchen Nanoröhrchen ist also hervorragend geeignet, um Wärme in ein Medium einzubringen, und weil sie selbst nur wenig Wärme speichert, kann man die Temperatur auch sehr schnell schalten. Tatsächlich ist es für eine gute Tarnkapenwirkung erforderlich, dass man die Temperatur der Nanoröhrchen oszillieren lässt – das sorgt für einen eng begrenzten Bereich innerhalb der Flüssigkeit oder des Gases mit erhöhter Temperatur; ich gebe aber gern zu, dass ich die Details hier nicht verstanden habe und das paper hier ein wenig schwer verständlich fand.

Alles was man jetzt tun muss ist, diese Nanoröhrchen in Wasser zu tunken und entsprechend zu verdrahten. Auch das ist gar nicht so einfach – gerade Wasser eignet sich nicht so gut, weil es die Röhrchen nicht so gern benetzt. Deswegen wurden die meisten Untersuchungen in der hier vorgestellten Arbeit auch mit anderen Flüssigkeiten wie Ethanol und Methanol oder mit Gasen gemacht. Für die Tarnkappe hat man es aber tatsächlich auch mit Wasser hinbekommen.

Und so sieht das Ergebnis aus:

i-947f6b522723c4b95a1515b9db7e82bc-invisibilityCloak.jpg

Die Schrift, die zusammen mit der Folie verschwindet, befindet sich hinter der Folie an der Behälterwand. Heizt man die Folie auf, so wird das Licht in ihrer Umgebung “gebogen” – so wie bei einer Fata Morgana – und die Folie verschwindet.

Als Tarnkappe lässt das Ganze trotzdem etwas zu wünschen übrig: Das Licht wird ja nicht wirklich um das zu tarnende Objekt herumgebogen, so dass man das sieht, was sich dahinter befindet, sondern es kommt ja quasi “von der Seite”, so wie es bei der echten Fata Morgana vom Himmel kommt. Dass das hier im Experiment so schick aussieht, liegt einfach daran, dass der Glasbehälter entsprechend gleichförmig aussieht.

Ist das alles dann nur eine nette Spielerei? Mitnichten, Tanten und Kusinen. (Kalauer-Alarm!!) Der Großteil der Arbeit konzentriert sich auf die Ablenkung von Laserlicht in Gasen und verschiedenen Flüssigkeiten. Und Laserlicht ohne bewegliche Teile wie zum Beispiel Spiegel ablenken zu können, ist technisch extrem praktisch – denkt beispielsweise an einen Laser-Scanner. Heutzutage bedient man sich dazu gern akusto-optischer Modulatoren, die mittels Ultraschall Dichteschwankungen in Luft in Glas erzeugen und dadurch den Laserstrahl wie an einem Beugungsgitter ablenken. Die neue Arbeit zeigt nun eine andere Möglichkeit auf, einen ähnlichen Effekt zu erzielen. Technisch sind Folien aus Nanoröhren natürlich wesentlich aufwändiger (und wohl auch anfälliger) als Piezokristalle, wie man sie für die Ultraschallerzeugung verwendet, aber wer weiß, was der technische Fortschritt bei den Nanoröhren noch bringt?

Einen Nachteil, der bei den meisten Unsichtbarkeitsgeschichten allerdings nicht bedacht wird, hat auch die Unterwasser-Tarnkappe: Wenn das Licht um den Unsichtbaren herumgebogen wird, kann er selbst natürlich nichts mehr sehen. Bei Harry Potter kann man sich mit Magie herausreden, bei Bilbos Ring gilt immerhin, dass der Träger einen sehr schwachen Schatten wirft, aber physikalisch korrekt hat das nur H.G. Wells beschrieben – bei seinem Unsichtbaren verschwindet alles, nur die Augen (bzw. die Netzhaut – so genau erinnere ich das Buch nicht mehr) bleiben sichtbar.

Vielleicht ist Unsichtbarkeit also doch gar nicht so praktisch.


Aliev, A., Gartstein, Y., & Baughman, R. (2011). Mirage effect from thermally modulated transparent carbon nanotube sheets Nanotechnology, 22 (43) DOI: 10.1088/0957-4484/22/43/435704

Kommentare (17)

  1. #1 Schmidts Katze
    19. Oktober 2011

    Es muss mal raus, da rollen sich mir die Fussnägel einzeln auf!

    “so genau erinnere ich das Buch nicht mehr”

    Ich lese oder höre das letzte Zeit immer öfter, aber das ist für mich ganz übles Denglisch.
    Auf Deutsch heisst es: “So genau erinnere ich mich nicht mehr an das Buch.”

    Nichts gegen englische Vokabeln, aber lasst unsere Grammatik in Ruhe!

    [/OffTopic]

  2. #2 wereatheist
    19. Oktober 2011

    So genau erinnere ich mich des Buches nicht mehr…
    Grammatik, gaaanz lange in Ruhe gelassen.
    SCNR

  3. #3 Manea-K
    19. Oktober 2011

    @Schmidts Katze: Dann nicht nach Norddeutschland ziehen. Das ist kein Denglisch, sondern korrektes (Nord)deutsch: https://www.duden.de/rechtschreibung/erinnern#Bedeutung1
    @MartinB: Heute nen Clown gefrühstückt? Schöner Artikel, da hat das Lesen Spaß gemacht. Ich werde ihn noch lange erinnern 🙂

  4. #4 WolfgangK
    19. Oktober 2011

    Der Gedanke, dass ein unsichtbarer Mensch gar nichts sieht, wenn alle Photonen um ihn herumgelenkt werden, ist zwar nicht neu aber dennoch immer wieder witzig, vor allem wenn man an entsprechende Filme denkt. Doch bei der Fata-Morgana-Technik leuchtet es mir irgendwie nicht ein. Wie ist das denn, wenn man anstelle des Geldstückes auf der Strasse sich einen Menschen vorstellt? Der sieht zwar die Fata-Morgana nicht, aber alles andere in seiner Umgebung? Bei der Unterwasser-Tarnkappe wird der “Unsichtbare” doch auch nur (von einem anderen Standpunkt aus gesehen) überdeckt, oder?

  5. #5 Schmidts Katze
    19. Oktober 2011

    @ wereatheist:

    “gaaanz lange in Ruhe gelassen.”
    In Eichenfässern gereift, ja, stimmt, kenn ich auch.

    @ Manea-K:

    das ist mir ehrlich gesagt neu.

    Wo fängt denn in diesem Sinne Norddeutschland an?
    (Ich lebe im Münsterland.)

  6. #6 Manea-K
    20. Oktober 2011

    @Schmidts Katze: Keine Ahnung, ich komm nicht aus der Gegend. Aber nach mehreren solcher Diskussionen hab ich eben mal im Duden nachgeschlagen. Und da steht das als korrekt. Er schreibt übrigens nur “besonders norddeutsch”, i.e. es ist auch außerhalb Norddeutschlands (wo immer das nun liegt) korrekt.

  7. #7 MartinB
    20. Oktober 2011

    @Schmidts Katze
    Hast ja recht – aber ich war gerade in umgangssprachlicher Laune, da machte das schon Sinn :-)))

    @WolfgangK
    Lichwege gehen ja in beide Richtungen (außer in Ausnahmefällen) – wenn also oben im Bild die Lichtstrahlen vom Auto zur Beobachterin umgelenkt werden, dann auch umgekehrt, und wer unten auf der SDtraße sitzt, sieht die Beobachterin auch nicht.

    Real mag es ein bisschen komplizierter sein, gerade bei einer echten Fata Morgana, weil das helle Himmelslicht evtl. das bisschen Licht, dass das Auge vom Boden doch erreicht, einfach überstrahlt. In dem Fall würde dann jemand, der auf der Straße sitzt, die Beobachterin doch sehen können – das wäre wie bei einem halbdurchlässigen Spiegel zum Verhör; der funktioniert auch nur, weil in dem Raum hinter dem spiegel wenig licht ist und der Verhörraum hell ist – wer da drin sitzt, nimmt deswegen das bisschen Licht nicht wahr.

  8. #8 Frank Quednau
    20. Oktober 2011

    Das ist witzig, vor ewigen Zeiten habe ich mal die Berechnungen angestellt, um festzustellen, wann ich ins Wasser springen sollte, wenn ich einen Ertrinkenden sehe. Wenn Ihr also ein Smartphone habt, schnell https://realfiction.net/go/88 und die benötigten Zahlen in das javascript-Formular eingeben 😀

  9. #9 Mike Macke
    20. Oktober 2011

    Ätsch, Pedantenalarm:
    Soweit ich weiß (und auch bei Wikipedia steht), wurden zumindest “zu meiner Zeit” vor zwanzig Jahren akusto-optische Modulatoren verwendet, um Dichteschwankungen in GLAS, nicht in Luft, zu erzeugen. Ich bezweifle, dass sich das wesentlich geändert hat…
    Ansonsten sind (auch) solche Artikel der Grund, weshalb ich die Scienceblogs gern regelmäßig lese.

  10. #10 MartinB
    20. Oktober 2011

    @Mike
    Gas, Glas, der eine Buchstabe, das ist aber echt pedantisch…
    Danke für die Korrektur.

  11. #11 BreitSide
    20. Oktober 2011

    Jaja, ich erinnere die Geschichte. Das ist laut Duden offiziell erlaubt, führt aber (außer zu Ohrenkrebs) zu Verwechslungen:

    “Ich erinnere Schmidts Katze” – korrekte Gegenfrage: “Woran?”

    Interessante Sache, das mit der einseitigen Tarnkappe. Bis vor Kurzem gabs noch keine, jetzt gleich zwei. Wie das noch weitergeht?

  12. #12 WolfgangK
    20. Oktober 2011

    @MartinB

    Danke für die Antwort. Ich hatte mich ein wenig dadurch in die Irre führen lassen, dass der Mensch, der anstelle des Geldstückes an dem Ort steht, sitzt oder liegt, zwar seine Umgebung, aber nicht den Beobachter sieht. Man muss den Beobachter aber auf alle möglichen Beobachtungspunkte übertragen, und dann sieht der Geldstückmann tatsächlich von seiner Umgebung nichts mehr – naja, Laie und abstraktes Denken…

    Übrigens hatte ich einen Physiklehrer, der begann seinen Unterricht stets mit einem ähnlichen Dauerkalauer: “So! Kameraden, Kameräder, Fahrräder, Motorräder…”. Färbt das irgendwie beruflich ab? 😉

  13. #13 BreitSide
    20. Oktober 2011

    Jaja, ich erinnere die Geschichte. Das ist laut Duden offiziell erlaubt, führt aber (außer zu Ohrenkrebs) zu Verwechslungen:

    “Ich erinnere Schmidts Katze” – korrekte Gegenfrage: “Woran?”

    Interessante Sache, das mit der einseitigen Tarnkappe. Bis vor Kurzem gabs noch keine, jetzt gleich zwei. Wie das noch weitergeht?

  14. #14 BreitSide
    20. Oktober 2011

    Sorry für den Doppelpost, auch hier sprach mein Brauser “500 internal service error”. Bitte streiche die Doppelungen.

    Ich kenne “Kameraden, Kameräder, Fahrräder, Ersatzteile, deutsches Volk! Es ist gelungen, aus Scheiße Butter zu machen. Der Aufstrich ist gut, am Geschmack wird noch gearbeitet!

  15. #15 WolfgangK
    20. Oktober 2011

    @Breitside
    Ich bin überrascht, womit sich Physiker so alles beschäftigen. Und ich glaubte an einen reinen Kalauer… 😉

    Scienceblogs sollte man derzeit in Scienceblockt oder Sciencebockt umbenennen. Soviel Kaffee kann ich gar nicht trinken, wie ich bei der Aktualisierung der Kommentarvorschau kochen könnte.

  16. #16 MartinB
    21. Oktober 2011

    Au-ha, hier kalauerts aber mächtig.

    Jaja der neue Server hat so seine Zicken – da passen irgendwelche finsteren perl-Skripte und eine crontab nicht zusammen, deswegen klappt die Aktualisierung nicht, wie sie soll.

  17. #17 rolak
    21. Oktober 2011

    uh-oh, die dunkle Seite der Macht^^
    Perl is a mighty tool… it can be used for good or evil 😉

    Imho eher erstaunlich, daß die bei derart komplexen Strukturen zu erwartenden kumulativen(?) Störungen so lange Zeit gelassen haben. Sich mangels {Falsch}Freigabe allmählich erschöpfende Resourcen; in seltenen Fällen nicht genügend weitreichende Grenzen; apaches Hang zu megamultiplem Auftreten (if your sole tool is a fork(), anything will be solved by spawning); … Möglichkeiten gibt es reichlich.
    Anders formuliert: Läuft doch ganz gut bisher.