Теоретический метод может сделать объекты невидимыми для тепловизора или имитировать другой объект.
Вы чувствуете жар? Для тепловизионной камеры, которая измеряет инфракрасное излучение, мы видим тепло, которое мы можем ощущать, как тепло путешественника в аэропорту с лихорадкой или холод протекающего окна или двери зимой.
В статье, опубликованной в Труды Королевского общества A: математические, физические и инженерные науки, международная группа прикладных математиков и физиков, в том числе Фернандо Гевара Васкес и Трент ДеДжиованни из Университета штата Юта, сообщают о теоретическом способе имитации тепловых объектов или создания объектов, невидимых 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 меняется со временем. Одним из приложений может быть изоляция части, выделяющей тепло в цепи (например, источника питания), чтобы она не мешала чувствительным к нагреву 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 так, чтобы он кристаллизовался определенным образом.
Посмотрите визуализацию того, как этот метод скрывает объект в форме воздушного змея:
Слева направо: 1. Температура пластины при срабатывании точечного источника в момент времени t = 0 (это может быть, например, лазерный импульс). 2. Температура пластины с объектом «воздушный змей». Как вы можете видеть, изотермы или температурные контуры деформируются присутствием объекта, и это может быть использовано наблюдателем для обнаружения и определения местоположения воздушного змея. 3. Воздушный змей окружен нашим активным плащом. Теперь изотермы выглядят точно так же, как в случае, когда объект отсутствует, что скрывает объект воздушного змея. Предоставлено: Фернандо Гевара Васкес / Университет штата Юта.
Или посмотрите, как это работает для объекта в форме Гомера Симпсона:
Слева направо: 1. Температура пластины, на которую срабатывает точечный источник, в момент времени t = 0 (это может быть, например, лазерный импульс). 2. Температура тарелки с предметом. Как вы можете видеть, изотермы или температурные контуры деформируются присутствием объекта, и это может быть использовано наблюдателем для обнаружения и определения местоположения объекта. 3. Объект окружен нашим активным плащом. Теперь изотермы выглядят точно так же, как и в случае отсутствия объекта, который скрывает объект. Предоставлено: Фернандо Гевара Васкес.
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. Простым домашним примером теплового насоса является холодильник: для охлаждения продуктов он перекачивает тепло изнутри наружу. По словам Гевара, использование тепловых насосов гораздо более гибкое, чем использование тщательно обработанных 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, - они могут сделать яблоко похожим на 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. Тем не менее, 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.
Ссылка: «Активное тепловое маскирование и имитация» Максенс Кассье, Трент ДеДжованни, Себастьян Генно и Фернандо Гевара Васкес, 12 мая 2021 г., Труды Королевского общества A: математические, физические и инженерные науки.
DOI: 10.1098 / rspa.2020.0941
Помимо Гевары и ДеДжованни, Максенс Кассье, Исследователь CNRS в Институте Френеля в Марселе, Франция и Себастьен Генно, Исследователь CNRS, UMI 2004 Абрахам де Муавр-CNRS, Имперский колледж Лондона, Лондон, Великобритания соавтор исследования.
