В статье, опубликованной в Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, международная группа прикладных математиков и физиков, в том числе Фернандо Гевара Васкес и Трент ДеДжиованни из Университета Юты, сообщают о теоретическом способе имитации тепловых объектов или сделать объекты невидимыми для тепловых измерений. И для этого не требуется ромуланское маскировочное устройство или плащ-невидимка Гарри Поттера.
Исследование финансируется Национальным научным фондом.
По словам исследователей, этот метод позволяет точно настраивать теплопередачу даже в ситуациях, когда температура изменяется во времени. Одним из применений может быть изоляция части, которая выделяет тепло в цепи (например, источника питания), чтобы она не мешала чувствительным к нагреванию частям (например, тепловизионной камере). Другое применение может быть в промышленных процессах, которые требуют точного контроля температуры как во времени, так и в пространстве, например, управление охлаждением материала, чтобы он кристаллизовался определенным образом.
Устройства маскировки или невидимости долгое время были элементами вымышленных историй, но в последние годы ученые и инженеры изучали, как воплотить научную фантастику в реальность. Один подход, использующий метаматериалы, изгибает свет таким образом, чтобы сделать объект невидимым.
Так же, как наши глаза видят объекты, если они излучают или отражают свет, тепловизионная камера может видеть объект, если он излучает или отражает инфракрасное излучение.
С математической точки зрения объект может стать невидимым для тепловизора, если расположенные вокруг него источники тепла могут имитировать теплопередачу, как если бы объекта там не было.
Новинка в подходе команды заключается в том, что они используют тепловые насосы, а не специально созданные материалы, чтобы скрыть объекты.
Простой пример теплового насоса в быту – холодильник: для охлаждения продуктов он перекачивает тепло изнутри наружу. Гевара говорит, что использование тепловых насосов гораздо более гибкое, чем использование тщательно продуманных материалов. Например, исследователи могут представить один объект или источник как совершенно другой объект или источник. «Так что, по крайней мере, с точки зрения тепловых измерений, – говорит Гевара, – яблоко может выглядеть как апельсин."
Исследователи провели математическую работу, необходимую, чтобы показать, что с помощью кольца тепловых насосов вокруг объекта можно термически скрыть объект или имитировать тепловую сигнатуру другого объекта.
Работа остается теоретической, говорит Гевара, и моделирование предполагает наличие «зондирующего» точечного источника тепла, который будет отражаться или огибать объект – тепловой эквивалент фонарика в темной комнате.
Температура этого зондирующего источника должна быть известна заранее, что является недостатком работы.
Однако этот подход находится в пределах досягаемости современной технологии за счет использования небольших тепловых насосов, называемых элементами Пельтье, которые переносят тепло, пропуская электрический ток через соединение металл-металл. Элементы Пельтье уже широко используются в бытовых и промышленных приложениях.
Исследователи предполагают, что их работа может быть использована для точного контроля температуры объекта в пространстве и времени, что имеет применение в защите электронных схем. По словам исследователей, полученные результаты также могут быть применены для точной доставки лекарств, поскольку математика теплопередачи и диффузии аналогична математике переноса и диффузии лекарств.
И, добавляют они, математика того, как свет ведет себя в рассеянных средах, таких как туман, может также привести к применению в визуальной маскировке.
В дополнение к Геваре и ДеДжованни, Максенс Кассье, исследователь CNRS в Институте Френеля в Марселе, Франция, и Себастьян Генно, исследователь CNRS, UMI 2004, Абрахам де Муавр-CNRS, Имперский колледж Лондона, Лондон, Великобритания, был соавтором исследования.