Vihreä energia muuttuu näkymättömäksi

Vanhaa tuttua harhaa hyödyntämällä keksijä kehitti näkymättömyysviitan. Se ei ainoastaan tee ihmisiä, ajoneuvoja ja rakennuksia näkymättömäksi, vaan sen avulla voidaan myös kolminkertaistaa aurinkokennojen sähköntuotanto.

Vanhaa tuttua harhaa hyödyntämällä keksijä kehitti näkymättömyysviitan. Se ei ainoastaan tee ihmisiä, ajoneuvoja ja rakennuksia näkymättömäksi, vaan sen avulla voidaan myös kolminkertaistaa aurinkokennojen sähköntuotanto.

Claus Lunau/Shutterstock

Puolikas mies kulkee aurinkopaneelien keskellä. Vain hänen jalkansa, päänsä ja toinen kätensä näkyvät. Muut osat ovat näkymättömiä, ja niiden kohdalla näkyy vain vihreää ruohoa.

Miehen vartalo on peitetty tuoreella versiolla oikeasta näkymättömyysviitasta, joka voi muuttaa laajatkin esineet lähes näkymättömiksi.

Näkymättömyysviitan muovin on kehittänyt kanadalainen keksijä Guy Cramer, joka työskentelee Hyperstealth-yrityksessä. Hyperstealth on jo vuodesta 2011 alkaen tehnyt työtä hankkeen parissa. Menetelmä ohjaa valon reitin uudelleen ja luo kohteen taakse näkymättömyysalueen. Varsin yksinkertaisilla muutoksilla materiaali voi kerätä aurinkokennoon tulevat valonsäteet ja tehostaa sähköntuotantoa.

Tutkijat kesyttivät valon

Vuoteen 2000 asti näkymättömyys oli scifi-unelma, joka oli yhtä kaukana tulevaisuudessa kuin aikakoneet. Vuosituhannen vaihteessa Lontoon Imperial Collegessa työskentelevä fyysikko John Brian Pendry kehitti teorian materiaalista, joka ohjaa valoaallot esineen ympäri ja samalla peittää esineen.

Idea perustuu siihen, että valo liikkuuu eri materiaalien läpi eri nopeudella. Ilmiötä voidaan havainnollistaa esimerkiksi vesilasissa olevalla pillillä. Pilli näyttää siltä kuin se katkeaisi vedenpinnan kohdalla, sillä valoaallot liikkuvat vedessä hitaammin kuin ilmassa.

Uuden muovin valoaaltoja taittava ominaisuus avaa monta käyttömahdollisuutta. Hyperstealth on esimerkiksi käyttänyt muovia peilissä, joka ohjaa valoaallot aurinkopaneeliin. Kun peilissä on heijastushila, peili heijastaa auringonvaloa koko paneelin alalle niin, että siihen ei synny polttopistettä, joka voi tuhota aurinkopaneelin. Kun aurinkopaneelin kummallakin puolella ja ylä- ja alapuolella on erikoispeilit, heijastuva valo lähes kolminkertaistaa tavallisen yksikiteisen aurinkopaneelin sähköntuotannon. Myös monikiteisten aurinkopaneelien sähköntuotanto tehostuu.

1) 30 watin yksikiteinen aurinkopaneeli ilman näkymättömyysmuovia

2) 30 watin yksikiteinen aurinkopaneeli, jossa on näkymättömyysmuovi

3) 50 watin monikiteinen aurinkopaneeli ilman näkymättömyyysmuovia

4) 50 watin monikiteinen aurinkopaneeli, jossa on näkymättömyysmuovia

© Lasse Alexander Lund-Andersen

Esine ”katkeaa” taittuen aina samalle puolelle luonnollisissa materiaaleissa, kuten vedessä. Tätä kutsutaan positiiviseksi taittumiseksi. Pendry ennusti, että keinotekoiset materiaalit aiheuttaisivat niin kutsutun negatiivisen taittumisen, jolloin pilli katkeaisi toiseen suuntaan.

Jos materiaalia, joka synnyttää negatiivisen taittumisen, voidaan valmistaa, sen taakse syntyy alue, jota valo ei läpäise lainkaan. Tällä alueella esineet olisivat näkymättömiä.

Renkaat luovat näkymättömyyden

Idean toteuttaminen kesti kuusi vuotta. Vuonna 2006 fyysikko David Smith yhdysvaltalaisesta Duken yliopistosta kehitti tällaisen materiaalin, jota kutsutaan myös metamateriaaliksi.

David Smithin näkymättömyysviitta koostui samankeskeisistä metamateriaalirenkaista. Näkymättömäksi haluttava esine asetetaan rengasjärjestelmän keskelle. Kun sekä renkaiden reiät että renkaiden etäisyys toisistaan ovat pienemmät kuin valon aallonpituus, syntyy negatiivinen taittuminen. Siten valo ohjautuu esineen ympäri samaan tapaan kuin vesi, kun se virtaa joessa olevan kiven ympäri.

©

Värinvaihdos nollaa valon

Monet tutkijat työskentelevät parhaillaan näkymättömyyden parissa. Kanadalaisessa INRS-tutkimuskeskuksessa on kehitetty menetelmä, jota kutsutaan spektraaliseksi näkymättömyydeksi. Sen synnyttäminen edellyttää värien leikkiä.

Kamera havaitsee valon luonnollisen heijastumisen

Vihreä kuutio näkyy, koska kuutio heijastaa siihen osuvan vihreän valon takaisin kameraan. Kaikki muut näkyvän valon aallonpituudet kulkevat kuution läpi eivätkä heijastu kameraan. Näin valo siis käyttäytyy normaalitilanteessa.

Ensimmäinen linssi poistaa vihreän valon aallonpituudet

Kun vihreän kuution ja kameran väliin asetetaan linssi, linssi muuttaa vihreän valon aallonpituudet näkyvän valon muiksi aallonpituuksiksi. Siksi valo kulkee kokonaan kuution läpi, ja kuutio on näkymätön kameralle. Menetelmää kutsutaan spektraaliseksi näkymättömyydeksi.

Toinen linssi palauttaa näkyvän valon

Kuution takana olevan linssin vaikutus on päinvastainen, sillä se palauttaa kuutiota kohti lähetetyn näkyvän valon siihen tilanteeseen, jossa se oli ennen kuin ensimmäinen linssi poisti vihreän aallonpituuden. Nyt valo läpäisee kuution niin, että kuutio ei näy lainkaan.

Kamera ei havaitse mitään

Spektraalinen näkymättömyysviitta muuttaa siis kuution näkymättömäksi sekä edestä että takaa, ja siksi kamera ei huomaa mitään. Menetelmä toimii siis koko näkyvän valon spektrin alueella, eikä se ole rajattu vain vihreän valon aallonpituuksiin.

Tie oikeaan näkymättömyyteen oli kuitenkin vielä pitkä, sillä näkymätön esine oli näkymätön vain mikroaaltoalueella. Näkyvän valon alueella se näkyi edelleen. Metamateriaaleilla on yhä sama ongelma: ne voivat tehdä esineen näkymättömäksi vain tietyillä valon aallonpituuksilla.

Yksinkertainen temppu poistaa valon

Kanadalainen Guy Cramer valitsi yksinkertaisemman tien, joka sittemmin poiki myös läpimurron vihreän energian alalla.

Hänen tavoitteenaan oli alusta alkaen kehittää näkymättömyyden luova materiaali, jota voidaan valmistaa teollisesti suuria määriä. Inspiraation hän sai tutusta lentikulaarisesta linssistä.

Ilmiö tunnetaan parhaiten postikorteista, joissa näkyy jokin kuva, mutta kuvakulmaa kääntämällä saadaankin näkyviin toinen. Ilmiö toimii koska kortin pinta koostuu linsseistä, jotka ohjaavat valon reittiä, ja linssien tasaiseen päähän on liimattu kuvia.

Cramer poisti ensin kuvat linsseistä ja asettti valonlähteen muovin etupuolelle ja esineen kohtisuoralle linjalle verhon taakse.

Muovi taittoi nyt valoa positiivisesti ja lähetti valonsäteet sivuille ja esineen ohi. Näin esine muuttui näkymättömäksi. Kun katsoja tarkkaili tilannetta muovin läpi toisesta kulmasta, esine ilmestyi jälleen näkyviin, samaan tapaan kuin lasissa oleva pilli.

Cramer liimasi kaksi lentikulaarisista linsseistä koostuvaa muovia seläkkäin. Omaksikin hämmästyksekseen Cramer onnistui siten luomaan materiaalin, joka tuottaa negatiivisen taittumisen ja muodostaa muovin taakse aidon näkymättömyysalueen.

Haasteita kuitenkin riitti. Kaksoislinssillä saatiin tosin naapurin auto näkymättömäksi, mutta muovi muutti ympäristön peilikuvaksi, joten taustalla näkyvien pysäköityjen autojen nokat osoittivat väärään suuntaan, mikä paljasti manipulaation.

Menetelmä kolminkertaistaa aurinkopaneelien sähköntuotannon

Siksi keksijä valmisti lentikulaarisista linsseistä kaksinkertaisen muoviverhon, joka säilytti näkymättömyysalueen ja poisti taustan peilikuvan. Tälle menetelmälle Guy Cramerin Hyperstealth-yritys on nyt hakenut patenttia.

Näkymättömyys toimii näkyvän valon ja infrapunavalon aallonpituuksilla. Muoviverho on edelleen prototyyppi, joka ei ole täydellinen, sillä se erottuu himmeänä alueena. Cramer kuitenkin uskoo, että täysin kirkkaan muovin kehittäminen onnistuu, jolloin verho ei paljastu.

Näkymättömyys vihertää

Tutkijat ovat vuosien ajan etsineet menetelmää, jolla aurinkokennoihin saataisiin ohjattua mahdollisimman paljon valoa. Tavoitteena on ollut saada paneelit kiertävä valo suunnattua paneeleihin, jolloin saataisiin tuotettua enemmän sähköä. Aiemmin peilien käyttö tähän tarkoitukseen on aiheuttanut sen vaaran, että peilin heijastama valo tuhoaa aurinkopaneelin.

Tämän ongelman Cramerin keksintö on ratkaissut. Kun peili päällystetään Cramerin näkymättömyysmateriaalilla ja heijastushilalla, se levittää valon tasaisesti niin, että se ei tuhoa aurinkopaneelia.

Hyperstealth-yrityksen mukaan tavallisen aurinkopaneelin sähköntuotanto on menetelmän avulla saatu kolminkertaistettua. Uusi keksintö avaa siis näkymättömyystutkimuksen lisäksi uusia mahdollisuuksia myös vihreän energian tuotannossa.

Katso, miten näkymättömyys tehostaa aurinkopaneelien toimintaa