Zarządzanie ciepłem zawsze należało do najbardziej frustrujących wyzwań inżynieryjnych. W przeciwieństwie do fali świetlnej czy dźwiękowej, ciepła nie da się łatwo skierować tam, gdzie chcemy, za pomocą kompaktowych urządzeń. Rozprzestrzenia się ono nieubłaganie przez dyfuzję, zacierając wyraźne granice. Dotychczasowe metody, oparte na grubych izolatorach czy masywnych radiatorach, trudno uznać za finezyjne. Teraz sytuacja może się zmienić za sprawą pracy naukowców, którzy znaleźli sposób, by oszukać fizykę i radykalnie zmienić to, jak obiekt “wygląda” dla czujników podczerwieni.
Matematyka wskazywała na niemożliwe. Kluczem okazało się aktywne podejście
Podstawowy problem miał podłoże czysto teoretyczne. Aby mały obiekt w polu temperaturowym zachowywał się jak obiekt znacznie większy, równania matematyczne wymagają istnienia materiału o ujemnej przewodności cieplnej. Taki hipotetyczny materiał musiałby samoczynnie przepychać ciepło z miejsc chłodniejszych do cieplejszych, co stoi w jawnej sprzeczności z fundamentalnymi zasadami termodynamiki. Ciepło w przyrodzie zawsze bowiem płynie od gorącego do zimnego, a stworzenie pasywnej struktury o takich właściwościach jest po prostu niemożliwe.
Czytaj też: Rzymski beton stoi 2000 lat, a nasz się kruszy po dekadach. Naukowcy z MIT odkryli sekret starożytnych budowniczych
Zamiast walczyć z prawami fizyki, zespół badawczy postanowił je sprytnie obejść. Zaproponował koncepcję aktywnych metapowierzchni termicznych, czyli specjalnych granic wyposażonych w sieć precyzyjnie sterowanych, miniaturowych grzałek i chłodnic. To podejście, nazwane termicznym superskaterowaniem, dodaje do systemu zewnętrzną energię, dzięki czemu nie łamie on praw termodynamiki, a jedynie symuluje pożądany efekt.
Pierścień termoelektryczny okazał się kluczowy. Eksperyment potwierdził teorię
Konfiguracja eksperymentalna była elegancka w swojej prostocie. Jako tło specjaliści wykorzystali miedzianą płytę, której końce utrzymywali w stałych temperaturach około 47°C i ~14°C, tworząc w ten sposób jednolity gradient ciepła. W centrum umieścili mały, izolowany dysk o promieniu zaledwie 10 milimetrów. Prawdziwą magię zapewnił jednak pierścień o promieniu 30 mm, który to był złożony z 10 niezależnych modułów termoelektrycznych. Każdy z nich, działając jak mikroskopijna pompa ciepła, mógł lokalnie dogrzewać lub chłodzić powierzchnię miedzi.
Czytaj też: Te okna prawie nie tracą ciepła. MOCHI wywróci rynek termomodernizacji do góry nogami
Po uruchomieniu systemu i ustabilizowaniu się pól temperaturowych (co zajęło około pół minuty) pomiary wykonane kamerą termowizyjną przyniosły spektakularne rezultaty. Stworzona aktywna metapowierzchnia wzmocniła termiczną sygnaturę małego dysku aż dziewięciokrotnie. Dla sensorów podczerwieni izolowany obszar o promieniu 10 mm wyglądał tak, jakby miał promień 90 mm. Tak też było to pierwsze eksperymentalne potwierdzenie, że aktywne sterowanie może radykalnie zmieniać postrzeganie obiektu w zakresie cieplnym.
Perspektywy są szerokie. Od wojskowości po chłodzenie procesorów
Chociaż sama praca ma charakter laboratoryjny, to i tak otwiera drzwi do wielu potencjalnych zastosowań. Najbardziej oczywiste wiążą się z zaawansowanym kamuflażem w podczerwieni. W teorii technologia mogłaby pozwolić na maskowanie pojazdów czy instalacji wojskowych, sprawiając, że w termowizorze wyglądałyby one na dużo większe, mniejsze lub o zupełnie innym kształcie, co wprowadzałoby w błąd systemy naprowadzania bazujące często na wstępnie wgranej bazie potencjalnych celów. Równie interesująco rysują się zastosowania w elektronice, gdzie precyzyjne zarządzanie rozpraszaniem ciepła z małych, gorących punktów (jak np. rdzeni procesorów) jest kluczowe dla zwiększania wydajności i żywotności urządzeń.
Czytaj też: Odkrycia dekady? Badał tajemnice Księżyca i Marsa, a teraz NASA skierowała go ku Ziemi
Entuzjazm warto jednak temperować świadomością wczesnego etapu badań. Skonstruowany system jest energochłonny, skomplikowany i działa w ściśle kontrolowanych warunkach laboratoryjnych. Droga do praktycznego, przenośnego urządzenia, które można by zastosować w terenie lub w smartfonie, jest jeszcze bardzo długa. Mimo to samo pokonanie fundamentalnej bariery teoretycznej i zaprezentowanie działającego dowodu koncepcji to milowy krok. Pokazuje on, że nawet tak uparte zjawisko, jak dyfuzja ciepła może zostać oszukane przy odrobinie inżynieryjnej pomysłowości.