Endlich unsichtbar

Fantastisch Fieberhaft arbeiten Forscher an der Erfüllung eines Menschheitstraums: Der Unsichtbarkeit. Dass bei der Tarnkappenforschung gerne übertrieben wird, gehört dazu

Wann Harry Potter ungesehen etwas erledigen muss, legt er sich seinen Tarnumhang um. Der sieht ein wenig so aus, als bestünde er aus Wasser – doch ist er erst einmal umgelegt, wird alles darunter unsichtbar. Tarnkappen waren schon immer ein fester Bestandteil von Sagen und Fantasy-Literatur. Siegfried erkämpft sich im Nibelungenlied die Tarnkappe eines Zwerges, der griechische Unterweltgott Hades verfügte über eine Art Helm, die ihn verschwinden ließ. Iwein, Held des gleichnamigen Artusromans von Hartmann von Aue, kann sich mit einem Ring unsichtbar machen – genau wie Frodo in „Herr der Ringe“. H.G. Wells versuchte in „Invisible Man“, die Unsichtbarkeit sogar auf eine wissenschaftliche Basis zu stellen. Sein Held Griffin nutzt statt Magie sein Optik-Know-how. Er passte den Brechungsindex seines Körpers dem der Luft an. Das bedeutet, dass Lichtstrahlen exakt so reflektiert werden wie bei Luft – damit wird er unsichtbar. Wells Ansatz ist nicht so weit von dem entfernt, was Physiker in den letzten Jahren ausprobiert haben.

Keine Frage: Unsichtbarkeitsforschung boomt. Immer neue Wissenschaftler behaupten, dass sie Gegenstände vor unseren Augen verschwinden lassen können. Dabei wird allerdings auch gerne ein bisschen übertrieben. So vermeldeten etwa Forscher um Andrea Alù von der Universität Texas im Januar in „New Journal of Physics“, dass es ihnen erstmals gelungen sei, dreidimensionale Objekte verschwinden zu lassen – bislang gelang das nur mit zweidimensionalen. Die Forscher nutzten sogenannte plasmonische Metamaterialien. Metamaterialien sind künstlich hergestellte Strukturen mit besonderen optischen Eigenschaften. Sie verstreuen elektromagnetische Strahlung – dazu gehört auch Licht – auf eine Weise, wie es in der Natur nicht möglich ist. Forscher können somit beeinflussen, wie zum Beispiel Licht von Gegenständen reflektiert wird. Da das Auge die Umwelt über reflektiertes Licht wahrnimmt, lässt sich somit auch die Wahrnehmung manipulieren.

Leicht verschoben

Die texanischen Forscher bauten ein Material, das Licht genau entgegengesetzt von ganz normalen Gegenständen streut – also eine Art Fotonegativ erstellt. Wenn sich nun die Streufelder des Materials mit denen des Gegenstandes überlagern, liegen Negativ und Positiv aufeinander und heben sich auf. Es werden keine Informationen über den Gegenstand zum Auge geschickt – Metamaterial und Gegenstand sind unsichtbar. Auf diese Weise konnten die Physiker ein 18 Zentimeter langes Rohr tarnen – angeblich unabhängig von der Blickrichtung. Der Haken: Es funktioniert nur bei Mikrowellen. Der Effekt lässt sich zwar messen, aber mit bloßem Auge nicht beobachten. Tatsächlich funktioniert das Prinzip nur dann aus allen Blickrichtungen, wenn man dabei auch die Frequenz der Mikrowelle je Winkel anpasst.


Obwohl es viele Ansätze für Tarnkappen gibt, ein Problem eint sie: Sie tarnen nur bis zu einem bestimmten Wellenlängenbereich. Licht, Radiowellen, Mikrowellen oder Röntgenstrahlung sind elektromagnetische Wellen mit einer bestimmten Anzahl von Schwingungen pro Sekunde. Die Maßeinheit dafür ist Hertz. Doch nur der Frequenzbereich von etwa 789 Terahertz bis 385 Terahertz ist für das menschliche Auge sichtbar – diesen Bereich nennt man deshalb einfach Licht. Darüber beginnt das unsichtbare ultraviolette Licht, während Radio- und Mikrowellen unter 300 Gigahertz liegen. Je höher die Frequenz, desto schwieriger ist es, Gegenstände verschwinden zu lassen – das gegenwärtige Material kommt damit noch nicht zurecht.

Dass Wellen überhaupt durch Material umgelenkt werden, kennt man aus dem Alltag: Wenn man einen Stock in Wasser tunkt, sieht er unter dem Wasser leicht verschoben aus – weil der sogenannte Brechungsindex von Wasser höher ist als der von Luft. Ein Fischer, der mit den Händen auf Beutejagd geht, muss das einkalkulieren, da die Fische nicht genau dort sind, wo er sie sieht. Ulf Leonhardt von der britischen Universität St. Andrews, einer der Pioniere der Tarnkappenforschung mit Metamaterialien, zeigt gerne ein Experiment, bei dem er glasige Kugeln in Wasser wirft. Sobald sie auf die Wasseroberfläche treffen, werden sie unsichtbar. Er hatte die Kugeln mit exakt demselben Brechungsindex wie Wasser konstruiert. So ähnlich hatte sich H.G. Wells die Tarnkappe vorgestellt – jedoch nützt es nicht viel, etwas verschwinden zu lassen, was ohnehin schon durchsichtig ist.

Wie im Spiegelkabinett

Das Prinzip der Tarnkappe aus Metamaterialien wurde erstmals 2006 sowohl von Leonhardt als auch von John Pendry vom Imperial College in London fast zeitgleich beschrieben. Kurze Zeit später gelang es David Smith von der Duke University in Durham, USA, nach Pendrys Ideen einen kleinen Zylinder in einer Tarnkappe im Mikrowellenbereich verschwinden zu lassen – einem Körper aus Metamaterialien, der gerade mal 125 Millimeter Durchmesser misst. Der jüngste Coup in der Unsichtbarkeitsforschung gelang 2011 Joachim Fischer und Tolga Ergin vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT): Erstmals konnten sie ein dreidimensionales Objekt im sichtbaren Bereich tarnen. Sie legten dafür eine Spiegelfolie auf den Boden. Versteckt man unter dieser Folie einen Gegenstand, entsteht eine kleine Hebung. Wenn man von oben auf die Folie schaut, verzerrt der Spiegel an der Stelle das Bild – man kennt das aus einem Spiegelkabinett.

Die Karlsruher Tarnkappe besteht aus zugeschnittenen, kubisch-flächenzentrierten Kristallen. „Das Material sieht aus wie aufeinander gestapelte Holzscheite“, sagt Ergin. „Es reflektiert die Lichtstrahlen so, als kämen sie von einem flachen Spiegel.“ Das Material wird einfach auf die Wölbung gelegt und bringt sie zum Verschwinden – aus allen Perspektiven, wenn auch nur bei rötlichem Licht. „Würden wir die Struktur verfeinern, würden wir das gesamte sichtbare Lichtspektrum abdecken“, sagt Rege. Allerdings verdeckt die Tarnkappe ein Objekt in der Größe von 0,026 Millimeter mal 0,01 Millimeter – das reicht nicht ganz für ein menschliches Haar.

Der chinesische Physiker Che Ting Chan von der Universität Hongkong verfolgt einen anderen Ansatz. Statt Spiegel nutzt er Metall, das nicht über, sondern neben dem Gegenstand angebracht ist. Metall blockiert elektromagnetische Wellen. „Wir haben diese Blockierungskraft einfach verstärkt,“ sagt Che Ting Chan. Durch die komplexen Streuungen des Lichtes wird das optische Erscheinungsbild des Metalls manipuliert – es erscheint viel größer, als es in Wirklichkeit ist. Es könnte eine Fläche verdecken, die eigentlich leer ist, eine geheime Passage zum Beispiel.

Lücke im Lichtstrahl

Die chinesischen Wissenschaftler können die optischen Eigenschaften des Materials mit einem externen magnetischen Feld verändern. Je nach Stärke des Feldes ist der Brechungsindex positiv oder negativ. Im ersteren Fall dringen die Wellen durch, in letzterem werden sie blockiert – die Wandillusion ist sichtbar oder unsichtbar. „Wir können die Passage per Knopfdruck öffnen und schließen“, sagt Che Ting Chan. Allerdings geht es hier ebenfalls um den Mikrowellenbereich. Falls irgendwann Metamaterialien für den sichtbaren Bereich entwickelt werden, wären auch andere Illusionen möglich. „Prinzipiell könnten wir einen Apfel wie eine Orange aussehen lassen“, sagt der Forscher.


Die Tarnkappenforschung treibt die Wissenschaft zu regelrechten Fantasie-Höhenflügen an. So haben Physiker der Cornell University eine Möglichkeit gefunden, nicht nur geheime Passagen zu verstecken, sondern ganze Ereignisse. Damit wäre zum Beispiel nicht nur ein Einbrecher unsichtbar, sondern der komplette Einbruch. Statt die Richtung des Lichts zu verändern, veränderten die Forscher seine Geschwindigkeit. Sie teilen den Lichtstrahl: Den vorderen Teil beschleunigen sie, den hinteren bremsen sie ab. Dazwischen entsteht ein Lücke. Fügt man anschließend die Teile wieder zusammen, sieht man dem Lichtstrahl nicht mehr an, dass irgendwas passiert ist. Das versteckte Ereignis erstreckt sich aber nur über etwa 50 Billionstelsekunden – für einen Diebstahl etwas wenig. Dennoch könnte man auf diese Weise Daten auf einem Rechner einschleusen, ohne dass es jemand merkt. Die Forscher nennen das einen positiven Nutzen.

Forscher wie Tolga Ergin und Ulf Leonhardt legen Wert darauf, dass ihre Forschung nicht zu Spionage- oder Militärzwecken diene: „Wenn wir verstehen, wie wir Lichtwellen manipulieren können, ergeben sich daraus eine Vielzahl neuer Möglichkeiten, um etwa die Mikroskopie zu verbessern“, sagt Leonhardt. Außerdem könne man andere Wellen beeinflussen, etwa die von Wasser oder Erdbeben, ergänzt Ergin. Daran wird bereits geforscht. Das Institut Fresnel in Marseille entwickelt Tarnkappen für Gebäude, die Erdbebenwellen umleiten. Dafür legen die Wissenschaftler um das Gebäude mehrere Ringe aus Metamaterialien, wobei jeder Ring für eine bestimmte Frequenz zuständig ist – Erdbebenwellen kommen in mehreren Frequenzen. Die Ringe geraten ins Schwingen, nehmen dadurch ihre Energie auf und lenken die Wellen um das Haus herum. Das Prinzip funktioniert auf dem Computerbildschirm. Die Materialien dafür gibt es noch nicht.

Im Interesse des Ministeriums

Informatiker der amerikanischen Duke University wollen Schiffe entwickeln, die mit einer Tarnkappe das Wasser austricksen. „Schiffe brauchen viel Kraft, um Wasser aus dem Weg zu schieben,“ sagt Yaroslav Urzhumov. Müssten sie das Wasser nicht bewegen, würden sie mit weniger Energie vorankommen. Das Prinzip ähnelt den optischen Tarnkappen – statt Licht wird einfach Wasser durch das Metamaterial gelenkt. Das Material ist porös wie eine Art starrer Schwamm. Das Wasser fließt gleichmäßig durch Löcher und Passagen, wobei kleine Pumpen seine Geschwindigkeit steuern – als wäre das Schiff nicht da.

Auch die Wassertarnkappe ist ein Computermodell. Die Simulation funktioniert in der Theorie mit einem Schiff, das 30 Zentimeter Durchmesser hat. „Wir müssen die idealen Strukturen für das Material noch finden, um zu wissen, wie energieeffizient das Prinzip wirklich ist“, sagt Urzhumov. Er wäre kein Tarnkappenforscher, würde er nicht schon weiter denken: „Ich kann mir vorstellen, dass wir später Metamaterialien finden, die nicht nur hydrodynamisch unsichtbar machen, sondern auch akustisch – also gegenüber Sonaren.“ Die Arbeit wurde ja auch finanziert durch die Multidisci­plinary-University-Research-Initiative des amerikanischen Verteidigungsministeriums. Wer sich dort bewirbt, muss etwas erforschen, was „von potenziellem Interesse des Ministeriums“ ist. Tarnkappenforschung nur für zivile Zwecke wäre etwas zu viel des Guten.

Boris Hänßler ist Komparatist und lebt als Autor in Bonn. Für den Freitag schrieb er zuletzt über das Gesicht des Planeten Erde

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17:29 22.02.2012

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