Een halve man loopt over een veld met zonnepanelen. Alleen zijn voeten, hoofd en ene arm zijn zichtbaar. De rest van de man is onzichtbaar en vervangen door groen gras.
Zijn lichaam is bedekt met het veelbelovende materiaal dat het dichtst bij een onzichtbaarheidsmantel in de buurt komt, en zelfs grote objecten goeddeels aan het zicht onttrekt.
De kunststof in de jas is gemaakt door de Canadese uitvinder Guy Cramer van het bedrijf Hyperstealth, die sinds 2011 aan het project werkt. Het leidt de baan van het licht om en creëert er een onzichtbaar veld achter. Met een simpele toevoeging kan het materiaal de lichtstralen die door zonnecellen vallen, opvangen en zo de stroomproductie flink opschroeven.
Onderzoeker knakt het licht
Tot het jaar 2000 was onzichtbaarheid slechts een verre droom in oude sciencefictionfilms – een idee in de categorie warpaandrijvingen en tijdmachines. Maar vlak daarna ontwikkelde de natuurkundige sir John Brian Pendry van het Imperial College in Londen een theorie over een materiaal dat lichtgolven om een object heen leidt en zo het object verbergt.
Het idee is dat licht met verschillende snelheden door materialen reist. Denk maar aan een rietje in een glas water, waarbij het lijkt alsof er een knik in zit op de overgang van lucht naar water, doordat de lichtgolven langzamer door water bewegen dan door lucht.
Het vermogen van de nieuwe kunststof om lichtgolven te buigen, kan belangrijke civiele toepassingen krijgen. Zo gebruikt Hyperstealth de kunststof op een spiegel die zonlicht naar een zonnepaneel stuurt. Samen met een reflectieraster verspreidt de spiegel het weerkaatste zonlicht over het hele zonnepaneel, waardoor er geen brandpunten van geconcentreerd zonlicht ontstaan die de zonnecellen kunnen beschadigen. Een zonnepaneel dat wordt omringd door dit soort spiegels, kan bijna drie keer zo veel energie uit zonlicht halen als de meest gebruikelijke zonnecellen van monokristallijn silicium. Ook ten opzichte van cellen met polykristallijn silicium ligt het rendement aanzienlijk hoger.
1) Monokristallijne zonnecel van 30 watt zonder onzichtbaarheidskunststof
2) Monokristallijne zonnecel van 30 watt met onzichtbaarheidskunststof
3) Polykristallijne zonnecel van 50 watt zonder onzichtbaarheidskunststof
4) Polykristallijne zonnecel van 50 watt met onzichtbaarheidskunststof
Het object knakt altijd dezelfde kant op in natuurlijke materialen als water. Dat noemen we een positieve breking. Pendry voorzag echter dat kunststoffen het rietje de andere kant op zouden kunnen laten knakken in een negatieve breking.
Als er een materiaal met negatieve breking kon worden gemaakt, zou daarachter een verborgen zone ontstaan waar geen lichtgolven passeren. Daarin zouden voorwerpen onzichtbaar zijn.
Ring zorgt voor onzichtbaarheid
Het duurde zes jaar om het idee te verwezenlijken. In 2006 wist natuurkundige David Smith van Duke University in de VS zo'n materiaal – een metamateriaal – te ontwikkelen.
De onzichtbaarheidsmantel van David Smith bestond uit in elkaar grijpende ringen. Het te verbergen voorwerp wordt nu midden in het ringsysteem geplaatst. Als de gaten in de ringen en de afstand daartussen kleiner zijn dan de golflengte van licht, treedt er negatieve breking op. Daarbij wordt het licht rond het voorwerp geleid als water in een rivier dat rond een rots stroomt en daarna weer terugvloeit.
Reset van licht door kleurenwisseling
Verschillende wetenschappers werken aan onzichtbaarheid. Het INRS Research Centre in Canada ontwikkelde de zogeheten spectrale onzichtbaarheid. Voor die methode moet eerst een kleurenmix worden gemaakt.
Camera ziet natuurlijke lichtreflectie
Het groene blokje is zichtbaar omdat het groen licht naar de camera kaatst. Alle andere golflengten in wit licht gaan door het blokje heen en worden niet teruggestuurd naar de camera. Zo gedraagt licht zich normaal.
Eerste lens neemt groene lichtgolven weg
Een lens tussen het groene blokje en de camera verandert de groene golflengten van wit licht in andere kleuren. Daarom gaat al het licht door het blokje heen en wordt dit onzichtbaar voor de camera. De methode wordt spectrale onzichtbaarheid genoemd.
Tweede lens herschept het witte licht
De tweede lens achter het blokje werkt andersom en herschept het witte licht dat naar het blokje werd gestuurd voordat de groene golflengten door de eerste lens werden weggefilterd. Zo passeert het licht het blokje zonder het te laten zien.
De camera vangt niets op
De spectrale onzichtbaarheidsmantel maakt het blokje dus van voren en achteren onzichtbaar, en daarom ziet de camera het niet. De techniek werkt in het hele zichtbare lichtspectrum en dus niet alleen met groen.
De weg naar de praktijk was echter nog lang omdat het verborgen voorwerp alleen onzichtbaar was voor microgolven – het was gewoon met het blote oog te zien. Dat is nog steeds het probleem van metamaterialen. Ze kunnen een voorwerp alleen verbergen voor enkele geselecteerde golflengten.
Simpele truc verwijdert het licht
De Canadees Guy Cramer koos echter een simpeler pad dan de wetenschappers – wat later een doorbraak in groene energie zou blijken te zijn.
Zijn doel was van meet af aan om een goedkoop onzichtbaar materiaal te ontwikkelen dat industrieel op grote schaal kan worden geproduceerd. De inspiratie vond hij bij zogeheten lenticulaire lenzen.
Je kent waarschijnlijk die kaarten wel die van beeld veranderen wanneer je ze draait. Dat gezichtsbedrog wordt verkregen door een afbeelding op de platte achterkant van de lenzen te plakken.
De illusie werkt doordat het oppervlak bestaat uit rijen gebogen lenzen die de baan van het licht sturen. Cramer verving die afbeelding achter de lenzen echter door een lichtbron vóór de kunststof en een voorwerp in een loodrechte lijn achter het gordijn.
De kunststof had nu een positieve breking en stuurde de lichtstralen om het object heen, dat daardoor onzichtbaar werd. Maar als Cramer vanuit een andere hoek door de kunststof keek, was het voorwerp helaas zichtbaar, net als een rietje dat ‘knakt’ in een glas water.
Lichtbreking buigt voorwerpen
Als licht normaal op een materiaal valt, ontstaat er een zogeheten positieve breking. Denk maar aan een rietje in een glas water. Voor de waarnemer lijkt het rietje iets naar buiten te buigen als je het in een glas water steekt.
Lenslaag buigt het licht af
De doorzichtige kunststof bestaat uit vier lagen lenticulaire lenzen met ribbels die ten opzichte van elkaar verschoven zijn. Ze breken de lichtstralen in de tegenovergestelde richting in plaats van hun natuurlijke pad voort te zetten. Dit noemen we negatieve breking.
De man verdwijnt
De negatieve breking creëert een onzichtbare zone achter de onzichtbare kunststof, waar de lichtstralen die door de kunststof vallen, omheen worden geleid. Iemand die hier staat, zal niet te zien zijn, en alleen de achtergrond komt tevoorschijn in het onzichtbare materiaal.
Guy Cramer plakte daarom twee stukjes kunststof met lenticulaire lenzen aan elkaar. Tot zijn verbazing bleek dat hij een eenvoudig materiaal had geproduceerd met een negatieve breking, waardoor er een echte onzichtbaarheidszone achter de kunststof ontstond.
Maar niet alle hindernissen waren genomen. Als een dubbele lens bijvoorbeeld de auto van de buurman onzichtbaar maakt in de carport voor het huis, spiegelt de kunststof de omgeving, en daarmee valt de truc in het water.
Met de nieuwe technologie kunnen zonnecellen drie keer zoveel produceren
Daarom maakte de uitvinder een kunststofgordijn met twee dubbele lagen lenticulaire lenzen die de onzichtbare zone behielden en de spiegeling van de achtergrond wegnamen. Op deze onzichtbaarheidsmantel heeft Guy Cramers bedrijf, Hyperstealth, nu patent aangevraagd.
De onzichtbaarheid werkt zowel bij zichtbaar licht als bij infrarode warmtestraling. Maar het prototype is nog met fouten behept, want het kunststofgordijn is zelf zichtbaar als een matte sluier. Cramer denkt echter dat het mogelijk is om een kunststof te ontwikkelen die glashelder is en zichzelf niet verraadt.
Onzichtbaarheid wordt groen
Al jaren zoeken wetenschappers naar methoden om zoveel mogelijk licht in de zonnecellen op te vangen, want als ze de lichtstralen die om de zonnecellen heen gaan, kunnen richten, produceren de cellen veel meer.
Daar konden spiegels nooit voor worden gebruikt, omdat het weerkaatste licht zo geconcentreerd kan zijn dat het de zonnecellen vernietigt.
Op dit punt pakt Guy Cramers uitvinding onverwacht goed uit. Zijn onzichtbaarheidsmateriaal kan namelijk de stralen zodanig verstrooien dat ze de zonnecellen niet beschadigen. Daartoe wordt een spiegel bedekt met een laag kunststof en een fijnmazig rooster, dat het zonlicht gelijkmatig over de hele spiegel verdeelt.
Volgens Hyperstealth zelf is het gelukt de elektriciteitsproductie van de meest voorkomende zonnecellen te verdrievoudigen. Zo is de nieuwe uitvinding niet alleen veelbelovend voor het toenemende onzichtbaarheidsonderzoek, de technologie kan ook een nieuw tijdperk in groene energie inluiden.