Med det nyeste bud på usynlighed er det også lykkedes at øge solcellers energiproduktion.
En halv mann spaserer bortover feltet som er dekket med solcellepaneler. Bare føttene, hodet og den ene armen er synlig. Resten av mannen er usynlig og erstattet av grønt gress.
Kroppen er dekket av den nyeste og mest lovende kandidaten til virkelighetens usynlighetskappe, som kan gjøre selv store objekter veldig vanskelige å få øye på.
Plastmaterialet i kappen er skapt av den kanadiske oppfinneren Guy Cramer fra firmaet Hyperstealth, som siden 2011 har arbeidet med dette prosjektet. Det virker ved å omdirigere lysets bane og skape et usynlighetsfelt. Med en helt enkel tilføyelse kan materialet samle opp de lysstrålene som passerer solceller og øke strømproduksjonen med mange hakk.
Forsker knekker lyset
Fram til år 2000 var usynlighet bare en fjern drøm i gamle science fiction-filmer – en idé som var like urealistisk som warp-motorer og tidsmaskiner. Men ved årtusenskiftet utviklet fysikeren sir John Brian Pendry fra Imperial College i London en teori om et materiale som dirigerer lysbølger rundt et objekt og dermed skjuler gjenstanden.
Ideen bygger på at lys beveger seg gjennom ulike materialer med ulik hastighet. Fenomenet er kjent fra en gjenstand, for eksempel et sugerør, i et glass vann. Det ser ut som sugerøret knekker i overgangen fra luft til vann. Det skjer fordi lysbølgene beveger seg langsommere gjennom vann enn luft.
Den nye plastens evne til å bøye lysbølger kan få viktige bruksområder. Hyperstealth har for eksempel brukt plasten til å dekke et speil som sender sollys mot et solcellepanel. I kombinasjon med et refleksjonsgitter sprer speilet det reflekterte sollyset over hele solcellepanelet, slik at det ikke oppstår brennpunkt av konsentrert sollys som kan ødelegge solcellene. Når et solcellepanel omgis av spesialspeilene fra begge sider, samt over og under panelet, vil det reflekterte sollyset nesten tredoble strømproduksjon fra de mest vanlige solcellene av monokrystallinsk silisium. Strømproduksjonen økes også markant fra celler med polykrystallinsk silisium.
1) 30 watt solcelle av monokrystallin uten usynlighetsplast
2) 30 watt solcelle av monokrystallin med usynlighetsplast
3) 50 watt solcelle av polykrystallin uten usynlighetsplast
4) 50 watt solcelle av polykrystallin med usynlighetsplast
Gjenstanden knekker alltid til den samme siden i naturlige materialer som vann. Det kalles positiv brytning. Pendry forutsa imidlertid at kunstige materialer kunne knekke sugerøret den motsatte veien i en såkalt negativ brytning.
Hvis man kunne lage et materiale med negativ brytning, ville det oppstå en skjult sone bak materialet der ingen av lysbølgene passerer. I denne sonen vil objekter være usynlige.
Ringer skaper usynlighet
Det tok seks år før ideen ble til virkelighet. Men i 2006 klarte fysiker David Smith fra Duke University i USA å utvikle et slikt materiale – også kalt et metamateriale.
David Smiths usynlighetskappe bestod av gjennomhullede ringer som er plassert inne i hverandre. Objektet som skal skjules, plasseres i midten av ringsystemet. Når både hullene i ringene og den innbyrdes avstanden mellom dem er mindre enn lysets bølgelengde, oppstår negativ brytning. Dermed dirigeres lyset rundt gjenstanden på samme måte som vannet i en elv som strømmer utenom en stein og samles igjen etterpå.
Fargeskift nullstiller lyset (1275)
Mange forskere arbeider med å skape usynlighet. Ved forskningssenteret INRS i Canada har forskerne funnet opp en metode de kaller spektral usynlighet. For å frambringe det må de først skape et fargevirvar.
Kameraet ser lysets naturlige refleksjon
Den grønne terningen er synlig fordi den reflekterer grønt lys tilbake mot kameraet. Alle de andre bølgelengdene i hvitt lys passerer gjennom terningen og sendes ikke i retur til kameraet. Slik oppfører lys seg normalt.
Første linse fjerner grønne lysbølger
Når en linse plasseres mellom den grønne terningen og kameraet, endrer linsen de grønne bølgelengdene i hvitt lys til andre farger. Derfor går alt lyset gjennom terningen, og den blir usynlig for kameraet. Metoden kalles spektral usynlighet.
Andre linse gjenskaper det hvite lyset
Den andre linsen bak terningen virker omvendt og gjenskaper det opprinnelige hvite lyset som ble sendt mot terningen, før de grønne bølgelengdene ble fjernet av den første linsen. Dermed passerer lyset terningen uten å avsløre den.
Kameraet plukker ikke opp noe
Den spektrale usynlighetskappen gjør altså terningen usynlig både forfra og bakfra, og blir den ikke registrert av kameraet. Teknologien virker i hele det synlige spektrumet av lys og er ikke begrenset til den grønne fargen.
Veien til praktisk usynlighet var imidlertid fortsatt lang, fordi den skjulte gjenstanden bare var usynlig for mikrobølger, mens den var synlig med det blotte øye. Det problemet sliter metamaterialene fortsatt med. De kan bare skjule et objekt for noen få utvalgte bølgelengder av lys.
Enkelt triks fjerner lyset
Kanadiske Guy Cramer valgte en annen metode enn de andre forskerne – noe som kan vise seg å bli et gjennombrudd for grønn energi.
Målet var imidlertid fra starten å utvikle et billig usynlighetsmateriale som kan produseres industrielt i stor skala. Inspirasjonen fant han i en velkjent illusjon: lentikulære linser.
Illusjonen er best kjent fra de kortene som viser ett bilde fra den ene siden og et annet når man beveger på det. Tradisjonelt skaper man illusjonen ved å feste et bilde på den flate baksiden av linsene.
Illusjonen fungerer fordi overflaten består av rekker av buede linser som dirigerer lysets bane. Cramers første triks var å fjerne bildet bak linsene. I stedet plasserte han en lyskilde foran plasten og et objekt i en vinkelrett linje bak forhenget.
Plasten hadde nå en positiv brytning og sendte lysstrålene ut til siden og forbi objektet, som dermed ble usynlig. Men når observatøren så gjennom plasten fra andre vinkler, ble gjenstanden dessverre synlig, akkurat som et sugerør som knekker i et glass vann.
Lysbrytning bøyer objekter
Når lys treffer et materiale, oppstår normalt en såkalt positiv brytning. Et eksempel på det er når et sugerør puttes ned i et glass vann. For observatøren ser det ut som om sugerøret bøyer seg en anelse utover når det senkes ned i glasset med vann.
Linselag bøyer lyset
Den gjennomsiktige plasten består av fire lag lentikulære linser som igjen består av rekke riller som plasseres skiftevis overfor hverandre. De tvinger lysstrålene til å brytes i motsatt retning i stedet for å fortsette i sin naturlige bane. Det kalles negativ brytning.
Mannen forsvinner
Den negative brytningen skaper en usynlig sone bak usynlighetsplasten som lysstrålene dirigeres utenom når de passerer. Hvis en person stiller seg her, vil vedkommende være usynlig, og bare bakgrunnen vil trå fram i usynlighetsmaterialet.
Guy Cramer klistret derfor sammen to stykker plast med lentikulære linser, slik at de sto rygg mot rygg. Til Guy Cramers egen overraskelse viste det seg at han hadde laget et enkelt materiale med en negativ brytning som skapte en ekte usynlighetssone bak plasten.
Men alle utfordringene var ikke løst. Hvis en dobbeltlinse for eksempel gjør naboens bil usynlig i carporten foran huset, speilvender plasten omgivelsene, slik at parkerte biler langs fortauet vender feil vei, og det avslører jo manipulasjonen.
Med den nye teknologien kan solcellers produksjon tredobles
Derfor produserte oppfinneren et plastforheng med to doble lag av lentikulære linser som bevarte den usynlige sonen og fjernet speilvendingen av bakgrunnen. Det er denne usynlighetskappen Cramers firma, Hyperstealth, nå har søkt patent på.
Usynligheten virker både i synlig lys og for infrarød varmestråling. Men plastkappen er fortsatt en prototype, som ikke er helt perfekt, fordi selve plastforhenget er synlig som et matt slør. Cramer mener imidlertid at det vil være mulig å utvikle en plast som er krystallklar og ikke avslører seg selv.
Usynlighet blir grønn
I mange år har forskere lett etter metoder til å fange opp mest mulig lys i solcellene, for hvis det er mulig å dirigere de lysstrålene som passerer utenom solcellene mot dem, kan strømproduksjonen bli mye høyere. Tradisjonelt har bruken av speil til det formålet hatt ett problem: Refleksjonen fra det punktet på speilet der sollyset er mest konsentrert, kan bli så kraftig at solcellene kan bli ødelagt.
Her har Cramers oppfinnelse en utilsiktet fordel. Usynlighetsmaterialet hans kan nemlig brukes til å spre strålene slik at de ikke skader solcellene, ved at man dekker et speil med et lag av plast og et finmasket gitter som fordeler sollyset jevnt over hele speilet.
Ifølge Hyperstealth har de klart å tredoble strømproduksjonen fra en av de vanligste solcellene. Dermed er den nye oppfinnelsen ikke bare lovende for den fortsatt voksende usynlighetsforskningen – teknologien kan også varsle en ny tidsalder for den grønne energien.