Плащ может быть использован, чтобы оградить электронные компоненты, такие как горячий чип компьютера. Диапазон температур на термограмме выше идет от горячей (белый) до холодной (синий).
Невидимость идет в термодинамику
Исследователи во Франции показали, как изолировать или «замаскировать» объекты от источников тепла - открытие, которое поможет в охлаждении электронных устройств, и тем самым проложит путь к более мощным компьютерам. Они также показывают, как тот же метод может быть использован для концентрации тепла, которое может оказаться полезным в современных солнечных технологиях.
Плащи-невидимки основаны на математике преобразования оптики ? изгибание пути света так, чтобы он распространялся вокруг некоторого места, а не через него - и были предложены Джоном Пендри (John Pendry) из
Имперского колледжа в Лондоне
и Ульфом Леонардом (Ulf Leonhardt) из
Университета Сент-Эндрюс
в 2006 году. Теперь, Себастьян Женье (Sebastien Guenneau) из
Университета Экс-Марсель
и его коллеги из французского
Национального исследовательского совета (CNRS)
заинтересовались возможностью сделать нечто подобное с теплом. Хотя интуитивно и кажется маловероятным, что та же математика может быть применена к термодиффузии, учитывая, что тепло не распространяется в виде волны, а просто диффундирует, но исследователи обнаружили, что преобразованное уравнение срабатывает и здесь.
Адаптация оптики
Разрабатывая конкретные преобразования для теплового плаща невидимости, они рассматривают тепло от горячего объекта, текущее слева направо в двух измерениях, а интенсивность теплового потока через любую область пространства представляют расстоянием между «изотермами» - линии постоянной температуры в этой области. Чем ближе расположены изотермы, тем выше интенсивность потока. Затем исследователи изменяют геометрию этих изотерм, чтобы они обходили круговую область, а не шли через нее, а это означает, что любой объект, помещенный в эту область теперь будет защищен от теплового потока.
Плащ-невидимка, необходимый для достижения этого преобразования представляет собой 2D кольцо из многих концентрических слоев с различной температуропроводностью - свойство, которое показывает, как быстро материал проводит тепло по отношению к его теплоемкости на единицу объема. В своих расчетах ученые смоделировали плащ с внутренним радиусом 200 мкм и внешним радиусом 300 мкм, а затем рассчитали изменение теплового потока вокруг плаща порядка миллисекунд. Из-за того, что эти масштабы расстояний и времен относятся к работе микроэлектронных устройств, таких как транзисторы, то исследователи полагают, что такой плащ может быть использован для защиты этих устройств от нежелательных температурных градиентов.
Теплоизоляция
В больших масштабах возможно еще одно применение, говорит Себастьян Женье,- это защита объектов от камер теплового изображения. Теплые предметы, такие, как люди или транспортные средства, можно увидеть ночью, используя тепловизоры, потому что спектр их излучения, как абсолютно черного тела, имеет пик в инфракрасном диапазоне. Размещение такого объекта внутри плаща-невидимки разработанное французской группой будет означать внешнюю термоизоляцию и, следовательно, скрывать любую разницу температур между ним и местным окружением, что делает технологию особо интересной для военных.
Проектирование теплового концентратора с другой стороны, напрашивается из раннего предложения Пендри о построении концентраторов света, и включает в себя вычисление преобразования, которое может направить изотермы в центр области, а не от него. Такая концентрация тепла в небольшом пространстве, могла бы оказаться полезной в солнечной энергетике, говорит Жэнье, потому что это могло бы усовершенствовать теплообменники, используемые, например, в системах концентрации солнечной энергии.
Изготовление термического плаща-невидимки
Женье и коллеги в настоящее время договариваются с учеными из Университета Лилля, Франция, чтобы изготовить эти устройства, что, по их мнению, произойдет в течение ближайших нескольких месяцев. Как объясняет Жэнье, гораздо легче изготовить тепловой плащ, чем электромагнитный, потому что широкий интервал изменения температуропроводности, необходимый для отклонения пути тепла, например, чтобы оно почти полностью обогнуло объект, может быть найден в природе. К тому же, электромагнитная маскировка связана с изготовлением искусственных материалов, состоящих из очень мелких и сложных структур.
20 концентрических слоев, которые составляют как плащ, так и концентратор изготовят из нескольких различных материалов с различными коэффициентами температуропроводности, таких, как металл (который, будучи проводником, очень хорошо проводит тепло) и полимер (который слабо проводит тепло). Тестирование устройств будет заключаться в размещении их рядом с резистором длиной 500-мкм и последующей фиксацией изображение результирующего распределения теплового потока с помощью тепловизионной камеры. Если все эти тесты пройдут по плану, говорит Женье, то следующий шаг после этого,- сделать такие 3D-устройства.
Другие исследователи считают, что плащ и концентратор, разработанные французской группой в принципе могут быть построены. Пендри, в то же время, говорит, что возможные применения могут включать в себя «радиаторы, которые захватывают избыточное тепло, выделяемое устройством, отправляя его подальше от чувствительных областей и безопасно сбрасывая его в термостат».