Lepiej wierzyć w bajki. „Czapka niewidka” lepiej widoczna po odtajnieniu wojskowego raportu

Służby USA ujawniają dokument świadczący o tym, że żywotnie interesowały się rozwojem techniki „czapki niewidki” – maskowania optycznego opartego na metamateriałach. Sprawa nie jest nowa, ale ujawnienie zainteresowania wojskowych wskazuje, że jest znacznie poważniejsza, niż wydawało się odkładającym ten temat na półkę z mniej ważnymi ciekawostkami naukowymi.

W odpowiedzi na wniosek na mocy amerykańskiej ustawy o wolnym dostępie do informacji (Freedom of Information Act, FOIA) złożony w marca 2022 r. Agencja Wywiadu Obronnego (DIA) USA opublikowała w lipcu 2024 r. dokument zatytułowany „Technology forecast: Metamaterials In Cloaking Applications”, po raz pierwszy opublikowany, ale sklasyfikowany jako tajny jeszcze w 2010 roku. Sześciostronicowy dokument, choć ujawniony tylko częściowo – spora część pozostaje tajna, daje frapujący wgląd w potencjał metamateriałów w dziedzinie maskowania. Omawia teoretyczne i eksperymentalne prace nad wykorzystaniem metamateriałów do uzyskania „czapki niewidki”. Odnosi się m.in. do prezentacji profesora Chan Che Tinga z Uniwersytetu Nauki i Technologii w Hongkongu na konferencji META’10 w Kairze w Egipcie. Prace Chana demonstrowały wykorzystanie metamateriałów do tworzenia złudzeń optycznych i osiągania efektów maskowania bez całkowitego otaczania obiektu materiałem maskującym.

Jedną z kluczowych technik w tej dziedzinie jest tzw. optyka transformacyjna wykorzystująca modyfikacje w propagacji fal za pomocą specjalnie projektowanych metamateriałów. Według opisów, które znajdują się w dokumencie, metoda ta została wykorzystana nie tylko do czynienia obiektów niewidzialnymi ale także do zmiany ich wyglądu, na przykład, by jabłko wyglądało jak banan. W dokumencie mowa o przeprowadzonej przez zespół profesora Chao Li z Chińskiej Akademii Nauk z powodzeniem demonstracji dowodu koncepcji teoretycznej pracy Chana przy użyciu symulatora transmisyjnego, który działał w częstotliwości 51 MHz przy 10 proc. szerokości pasma.

Niewidzialność płynąca z omijania obiektów przez światło

„Czapki niewidki” są nie tylko możliwe, o czym wielu czytelników MT wie dobrze dzięki artykułom na ten temat, które zamieszczamy w naszym magazynie od lat. Powstały nawet działające w praktyce urządzenia, której jednak wciąż mają zwykle status mocno prototypowych. Nie należy zapominać, że wstępem do współczesnych badań nad czapkami niewidkami były opracowywane głównie dla wojska rozwiązania nazywane z angielska „stealth”, które zapewniają skuteczną i praktyczną „niewidzialność” albo przynajmniej ograniczoną wykrywalność pojazdów latających lub pływających w zakresach fal radarowych o znacznie większej długości niż spektrum fal świetlnych.

Pierwsze dwuwymiarowe systemy maskujące, które ukrywały obiekty oglądane pod określonym kątem, opracowano na przełomie pierwszego i drugiego dziesięciolecia XXI wieku. Udało się opracować specjalne, wielowarstwowe powłoki z substancji zwanych metamateriałami, które umożliwiają swobodne przechodzenie promieniowania elektromagnetycznego o określonych długościach fali po trajektorii wokół obiektu. W odróżnieniu od przezroczystości, w której światło przechodzi przez materiał, struktura metamateriałowa kieruje światło po liniach wokół obiektu tak, by powróciło do tego samego kierunku, z którego padało, zanim „ominęło” obiekt. Przez zaginanie, a następnie rozprostowywanie światła o właściwe wartości obiekty mogą być maskowane w poszczególnych długościach fal światła. O tym m.in. opowiada odtajniony amerykański dokument. Z czasem badacze zaczęli pracować nad opracowaniem maskowania 3D, czyli „znikaniem” pod dowolnym kątem, a nie tylko ze ściśle określonego punktu widzenia. W 2016 roku siedmiowarstwowa peleryna metamateriałowa poszerzyła zakres działania takich systemów od podczerwieni aż po radiowe części widma. Był to szeroki zakres długości fali, który jednak wciąż nie rozciągał się na część optyczną.

Badacze sięgnęli do pokrewnej do technik metamateriałowych dziedziny badań nad metasoczewkami. Soczewki w sensie ogólnym są znane z tego, że światło o różnych długościach fali zwalnia w materiale, z którego jest wykonana soczewka, w różnym stopniu, co powoduje powstawanie efektu „tęczy”, czyli aberracji chromatycznej. W optyce tradycyjnej walczy się z tym zjawiskiem za pomocą starannie ukształtowanych soczewek z nakładanymi powłokami. Konstrukcje metasoczewek radzą sobie z tym lepiej. W idealnej sytuacji kształtują fronty falowe przychodzących fal świetlnych niezależnie od długości fali, pozwalając na skupienie światła w jednym punkcie nawet w najmniejszej skali. Mają wiele innych atrakcyjnych właściwości. Mogą być bardzo cienkie (rzędu pojedynczej długości fali świetlnej) i są łatwe w produkcji. W pracy z 2018 roku, opublikowanej w „Nature Nanotechnology”, opisano zastosowanie nanopowłok na bazie tytanu, które prowadzą światło, pozwalając mu zgiąć się dokładnie o odpowiednią wartość, dokładnie taką, jakiej potrzebujemy. Łącząc dwie nanopowłoki w jeden element, możemy dostroić prędkość światła w nanostrukturalnym materiale w celu skupienia wszystkich długości fal w widzialnym spektrum w tym samym miejscu, przy użyciu pojedynczej metasoczewki. To radykalnie zmniejsza grubość i złożoność konstrukcji w porównaniu do standardowych soczewek achromatycznych.

Warto dodać, że techniki metamateriałowe nie są jedynym nurtem badań w dziedzinie dążenia do osiągnięcia „niewidzialności”. Naukowcom udało się doprowadzić do zniknięcia także bez „czapki”, tzn. bez wykorzystania pokrycia z metamateriału, za pomocą różnorodnych rozwiązań, np. w 2015 r. opracowano nową technikę „znikania” obiektów w zakresie mikrofalowym opartą nie na specjalnych osłonach, lecz na nowych sposobach wykorzystania refrakcji fal. Brytyjska firma Shield Co opracowała nową wersję „czapki niewidki”, zaskakująco prostej konstrukcji urządzenia maskującego, które wykorzystuje precyzyjnie zaprojektowany układ optyczny do zakrzywiania światła w ten sposób, że ukrywający się za osłoną człowiek lub obiekt jest niewidoczny, a widać jedynie tło, choć nieco rozmyte. Zespół naukowców z Chin przedstawił nowy rodzaj techniki kamuflażu, który opiera się wyłącznie na wykorzystywaniu światła słonecznego, czerpiąc inspirację z biologii głowonogów.

Wygląda na to, że prac nad „czapką niewidką” nie da się już dziś zbywać lekceważeniem i uśmieszkami, że to bajki. Interesują się nimi poważni ludzie i mają wobec nich bardzo poważne plany.

Mirosław Usidus