Onzichtbaar voor de warmtecamera

Materiaalkunde

Kun je mens en tank camoufleren voor de warmtecamera? Twee groepen maakten elk een experimenteel materiaal.

Demonstratie van thermocamouflage, enkele centimeters groot, met verwarmde modellen (Jiang) en hand (Kocabas). Beeld American Chemical Society (hand), Hongrui Jiang

Jagers en militairen in camouflagekleding zijn in een bos met het blote oog of een verrekijker bijna niet te zien. Maar met een infraroodcamera zijn ze wel makkelijk te herkennen. Deze camera’s meten de infraroodstraling die door warme lichamen of verhitte motoren uitgezonden wordt. Op infraroodbeelden licht een warm object in een koele omgeving op als een kerstboom vol lampjes.

Het blijkt erg lastig om (lichaams)warmte te camoufleren. Maar er is wel veel belangstelling voor. Er wordt al decennia gezocht naar lichte, draagbare warmtecamouflage om bijvoorbeeld militairen aan het alziende oog van de infraroodcamera te onttrekken.

Deze week verschenen twee publicaties, elk over een nieuwe techniek om mensen, auto’s en andere warme objecten onzichtbaar te maken voor warmtebeeldcamera’s. De materialen die de onderzoeksgroepen ontwikkelden zijn dun, licht en buigbaar. En ze kunnen zowel een warm voorwerp koud doen lijken als een koud voorwerp warm. De ene, Europese onderzoeksgroep bedacht een materiaal dat is gebaseerd op grafeen. Hun publicatie verscheen in Nano Letters. Het materiaal van de andere, Amerikaanse groep baseert zich op silicium nanostructuren, en is gepubliceerd in Advanced Engineering Materials.

De infraroodstraling wordt in een woud van silicium nanonaaldjes gevangen

Tot op heden worden voor thermische camouflage onder andere metalen bekledingen en dikke, isolerende lagen gebruikt. Maar die hebben grote tekortkomingen. Metalen materialen, zoals aluminiumfolie, blokkeren de warme infraroodstraling niet voor honderd procent. De straling blijft dus gedeeltelijk zichtbaar, mailt Hongrui Jiang van de University of Wisconsin in de Verenigde Staten. Hij leidde de Amerikaanse studie. Volgens Jiang zijn dikke, isolerende stoffen, zoals dekens, juist weer lastig om in te bewegen. „Je krijgt het ook behoorlijk heet als je je in aluminiumfolie of dekens wikkelt. Niet echt praktisch”, schrijft hij.

Een dun, licht materiaal, dat niet de drager niet verhit, is de heilige graal in de warmtecamouflage.

De Amerikaanse onderzoekers kregen dit voor elkaar met een matje bedekt met een woud van silicium nanonaaldjes en metalen nanodeeltjes. De infraroodstraling wordt in dit woud gevangen tussen de naaldjes. Om te voorkomen dat de warmte opbouwt en het matje loeiheet wordt, zitten er verkoelende luchtkanaaltjes in. „Daarnaast hebben we in het materiaal rijen met warmtebronnetjes ingebouwd”, zegt Jiang. „Daarmee kunnen we een nep-warmtepatroon genereren om infraroodcamera’s voor de gek te houden.” Zo lieten ze een verwarmd bolletje er op een infraroodcamera uitzien als een gloeiend stokje. Om deze vermomming te produceren, moet er wel een batterij op het matje worden aangesloten. Voor het blokkeren van de warmtestraling is geen energiebron nodig.

Energie

De techniek van de Europese groep heeft zowel voor het produceren van een vals beeld als voor het blokkeren een energiebron nodig. „Een kleine lithium-ion batterij is voldoende om een groot oppervlak camouflagemateriaal van energie te voorzien”, mailt hoogleraar materiaalkunde Coskun Kocabas van de University of Manchester, leider van het Europese onderzoek.

„Met onze techniek is actieve thermische camouflage mogelijk”, zegt hij. „Het materiaal zorgt ervoor dat een object thermisch opgaat in zijn omgeving. Zoals een kameleon z’n kleur aan kan passen afhankelijk van de kleuren in zijn omgeving.”

Het camouflagesysteem van Kocabas’ groep is opgebouwd uit een elektrode van enkele laagjes grafeen aan de bovenkant en een elektrode van hittebestendig nylon bedekt met een laagje goud aan de onderkant. Tussen de elektroden zit een membraan geklemd dat volgezogen is met een vloeistof waarin positief en negatief geladen deeltjes ronddrijven. Bij een kleine spanning over de elektroden worden de negatieve deeltjes het grafeen ingetrokken. Dat blokkeert de uitzending van warme infraroodstraling waardoor het warme object erachter aan het ‘zicht’ van de infraroodcamera onttrokken wordt. Door verschillende elektrische spanningen aan te brengen op verschillende delen van het materiaal kan er een thermisch patroon op geprojecteerd worden. Zo kan een tank die langs een warme energiecentrale rijdt, tijdelijk die temperatuur projecteren, waardoor het voertuig niet opvalt.

De techniek van Kocabas’ groep verschilt erg van onze methode, mailt Jiang. „Het is dus appels met peren vergelijken. Maar ik wil wel opmerken dat grafeen veel duurder is dan het silicium dat wij gebruiken.”

    • Dorine Schenk