Unsichtbarkeit

Verdeckung

Wenn sich dieser Gegenstand hinter einem anderen Gegenstand befindet, dann ist er zwar für den Betrachter unsichtbar, aber man sieht dann den anderen Gegenstand davor. Einem intelligenten Betrachter, der im Szenario anwesend ist, wird es also möglicherweise ein Anliegen sein, auch die ihm momentan verdeckten Bereiche früher oder später zu inspizieren, sofern der abdeckende Gegenstand für ihn irgendwie erkennbaren Anlass dazu gibt. Es besteht dabei die Möglichkeit, dass hier nur aus einer Richtung, aus mehreren oder gar aus allen heraus verdeckt wird. Die Unsichtbarkeit wird dabei nicht durch eine Eigenschaft des Gegenstands herbeigeführt, sondern vielmehr durch die Eigenschaften des abdeckenden Gegenstands. Beispielsweise verdeckt eine Konservendose ihren Inhalt nach allen Richtungen hin. Lackiert man diese Dose nun schwarz und stellt sie vor einen ebenso schwarzen Hintergrund, wird die Dose samt Inhalt unsichtbar. Es wurde lediglich die Dose manipuliert, während der Inhalt nicht angetastet wurde.

Indirekte Wahrnehmung

Um einen Gegenstand unsichtbar zu machen, genügt es oftmals nicht, zu verhindern, dass Licht von diesem Gegenstand zum Beobachter gelangt. Selbst wenn dieser Gegenstand völlig schwarz ist und damit kein Licht von ihm zum Beobachter gelangt, verdeckt er dennoch einen Teil des Hintergrundes. Sofern dieser nicht ebenso völlig schwarz ist, wird der Gegenstand durch seine Kontur wahrnehmbar.

Falls ein Gegenstand genau die gleiche Farbe und Helligkeit wie seine Umgebung und sein Hintergrund hat, ist er dennoch unsichtbar.

Typische reale Hintergründe sind strukturiert und ändern ihre Eigenschaften mit der Zeit, etwa durch den Blickwinkel eines sich bewegenden Betrachters oder je nach Tageszeit und Lichteinfall. Ein militärischer Tarnanzug oder auch ein Tarnanstrich versucht, ein bestimmtes Szenario, z. B. Wald, Wüste oder Steinlandschaften, in seinem Aussehen nachzubilden. Dabei wird ein mehr oder minder flüchtiger Betrachter mit erhöhter Wahrscheinlichkeit die Kontur des jeweiligen Trägers nicht mehr vom Umgebungseindruck trennen können. Diese Wahrscheinlichkeit nimmt ab, wenn sich Objekt und Hintergrund zueinander bewegen und der Beobachter in der Lage ist, eigenständige Bewegungsfelder aus dem Szenario zu identifizieren.

Einige Vertreter der Weichtiere beherrschen die Methoden der Tarnung besser als der Mensch. Kraken können das Aussehen des Hintergrundes besser als jeder menschliche Tarnanzug simulieren. Der Gallertkalmar ist nahezu durchsichtig. Der Waffenkalmar hat an der Unterseite Leuchtorgane, die seine dunkle Silhouette vor der Wasseroberfläche überstrahlen können.

Unsichtbarkeit mit photonischen Kristallen

Eine theoretisch vorstellbare Möglichkeit einer Rundum-Unsichtbarkeit könnte auf der Basis von Brechung-Reflexion-Brechung beruhen. Eine Hohlkugel aus photonischen Kristallen (Metamaterialien) und Materialien mit negativem Brechungsindex (linkshändige Materialien) mit dem für diese üblichen exotischen Brechungs- und Reflexionsverhalten könnte das aus allen Raumrichtungen kommende Licht geordnet umleiten. Die Hohlkugel aus photonischen Kristallen sollte aus allen Raumrichtungen dieselben optischen Eigenschaften haben, und die Lichtstrahlen könnten einander ungehindert überkreuzen, weil die Photonen zu den Bosonen gehören. An Stelle der Hohlkugel könnte man für die ersten Versuche einen Hohlzylinder mit senkrecht stehender Achse verwenden, der dann aus allen waagrechten Blickrichtungen unsichtbar wäre.

Im Oktober 2006 gelang es Wissenschaftlern erstmals, eine Tarnkappe herzustellen. Dabei wurden Mikrowellen um einen Ring herumgelenkt, der aus mehreren Lagen Kupferdraht und Glasfaserfolien bestand, sodass dieser die Strahlung nicht reflektierte und im entsprechenden elektromagnetischen Bereich teilweise unsichtbar erschien. Licht konnte jedoch noch nicht abgelenkt werden. Das Verfahren funktioniert bisher nur auf einer Ebene und nicht mit dreidimensionalen Objekten.^[1]

2010 gelang es Forschern einen flexiblen Polymerfilm zu erzeugen, eine Art Metamaterial, das auch sichtbare Wellenlängen um 620 nm ablenkt.^[2][3]

Unsichtbarkeit mit Spiegeln

Viel einfacher als die Rundum-Unsichtbarkeit lässt sich die Unsichtbarkeit für nur eine Blickrichtung zumindest für einen menschlichen Betrachter glaubhaft realisieren. Dabei werden die Lichtstrahlen eines bestimmten Blickfelds um das Objekt herum geleitet. Da sich jedoch die Entfernung durch die Umleitung leicht ändert, ist eine perfekte Identität nicht erreichbar. Ebenso werden auch immer gewisse Reste der Spiegelkanten erkennbar bleiben. Der Beobachtungspunkt ist in gewissen Grenzen flexibel.

Unsichtbarkeit mit Linsen

Da für das Unsichtbar-Machen große Linsen benötigt werden, kann man um Gewicht zu sparen Fresnellinsen verwenden. Eine Zylinderlinse besteht aus Teilflächen eines Zylindermantels und bündelt das Licht auf eine Brennlinie. In dieser Brennlinie befindet sich ein schmaler Planspiegel, der das Licht zu einer zweiten Fresnel-Zylinderlinse reflektiert. Um zwei getrennte unsichtbare Zonen zu vermeiden, werden zwei halbierte Fresnel-Zylinderlinsen verwendet.

Im Gegensatz zu anderen Methoden der Unsichtbarkeit ist diese Methode relativ platzsparend. Alle Bauteile stellen die Wandung eines Quaders dar, und die Hälfte des Innenraumes ist unsichtbar. Auch hier gilt, dass aus einem bestimmten Blickwinkel nur noch der Hintergrund des Objektes, aber nicht das Objekt selbst gesehen werden kann.

Zur technischen Realisierung: Das vom hinteren Bild kommende Licht geht durch die Brennlinie unterhalb des vorderen Bildes. Einen kleinen Teil des vorderen Bildes sieht man am oberen Bildrand. Das ist eine Folge der sphärischen (hier: zylindrischen) Aberration. Das könnte durch die Beschneidung der Linsen korrigiert werden.

Unsichtbarkeit durch Gravitation

Starke Gravitationsfelder, wie sie in der Nähe von Neutronensternen und schwarzen Löchern vorkommen, können das Licht so stark ablenken, dass der verursachende Himmelskörper unsichtbar wird. Auf der Erde kann man so starke Gravitationsfelder deshalb nicht erzeugen, weil man dazu riesige Massen auf extrem hohe Dichte komprimieren müsste.

Falls das in fernster Zukunft dennoch gelingen sollte, dann hätte man ein durch seine starke Gravitationswirkung und durch seine Hawking-Strahlung sehr gefährliches kleines Schwarzes Loch erzeugt. In harmloser Weise verändert auch das Gravitationsfeld unserer Sonne die scheinbaren Positionen benachbarter Sterne (siehe Zeichnung „Schwerkrafteinfluss auf Licht“). Man könnte also überspitzt behaupten, dass diese Sterne an ihrem wirklichen Ort unsichtbar sind. Dies trifft auch für andere Phänomene der Astronomie zu, z. B. durch die Aberration und die Astronomische Refraktion.

Unsichtbarkeit mit Mikro-Kamera-Projektoren

Die Übertragung des Hintergrundbildes auf die Vorderseite eines Gegenstandes führt zu seiner Unsichtbarkeit. Bei ruhendem Hintergrund, und bei nur einem Standort des Beobachters ist das sehr einfach. Zum Beispiel hat der Fotograf JR im Jahre 2016 die Glaspyramide im Innenhof des Louvre durch eine Trompe-l’œil scheinbar verschwinden lassen.

Es wurde auch der Vorschlag gemacht, dass man vor dem unsichtbar zu machenden Gegenstand einen Flachbildschirm mit hoher Leuchtdichte aufstellt, und hinter dem Gegenstand eine Farbvideokamera, die das Bild des Hintergrundes an den Bildschirm übermittelt. Es ist klar, dass bei hellem Sonnenschein dieser Bildschirm mit der Leuchtdichte große Probleme hätte.

Bei differenzierteren Hintergrundbildern stellt sich zusätzlich die Frage nach dem Blickwinkel und ob eher ein Weitwinkel- oder ein Tele-Objektiv für die Kamera günstig wäre. Man könnte zwar einen hoch auflösenden Bildschirm auch mit richtungsselektiven Mikro-Kugel-Linsen überziehen, dies würde aber höhere Kosten verursachen. Das Ziel einer solchen Maßnahme ist, jeden Blickwinkel mit dem passenden Hintergrundbild zu versorgen. Ein bereits realisiertes Beispiel dafür sind jene Stereobilder, die mit Mikro-Zylinder-Linsen erzeugt werden.

Die Unsichtbarkeit mit Mikrokameras, die zugleich auch Mikroprojektoren sind:

Die zwölf blauen Kreise stellen die Mikrokameraprojektoren dar, in der Realität werden aber einige Hunderttausend davon benötigt. Die schwarzen Linien außen stellen die Lichtstrahlen dar. Die grünen Linien innen stellen die Zuordnung der Bildsignale dar, aber keineswegs ein Drahtgeflecht, das die Kameraprojektoren verbindet.

Die Mikrokameraprojektoren sollten plankonvexe Linsen besitzen, die nach außen flach und nach innen gewölbt sind, denn nach außen gewölbte Linsen würden einander bei streifendem Lichteinfall stören.

Diese Technologie ist momentan noch nicht realisierbar, aber versuchen wir sie dennoch durchzurechnen: Das Auflösungsvermögen des menschlichen Auges beträgt bei 10 m Abstand 3 mm, und unser System soll bei Abständen, die größer sind als 10 m, funktionieren. Daraus folgt, dass die Mikro-Kameraprojektoren 3 mm groß sein dürfen. Das unsichtbar zu machende Objekt soll vorerst ein Quadrat von 90 cm Kantenlänge sein. Daraus folgt, dass man 900 / 3 = 300 Kameraprojektoren pro Bildzeile benötigt, und insgesamt 300 · 300 = 90.000 Kameraprojektoren verwenden muss. Innerhalb der Kamera-Projektoren haben 300 CCD-LED-Pixel insgesamt 3 mm Platz, sie dürfen daher 3 / 300 = 0,01 mm groß sein, müssen aber dreifarbig sein. Das bedeutet, dass auf einer Fläche von 0,01 mm × 0,01 mm sechs Bereiche existieren müssen, drei CCD-Sensoren und drei LED-Leuchtflächen, jeweils für Rot, Grün, und Blau. Das lässt sich schon mit der heutigen Chiptechnologie problemlos herstellen, wie sie in Digitalkameras verwendet wird.

Damit das Licht der LED-Leuchtflächen die CCD-Sensoren nicht erreichen und stören kann, könnte man Trennflächen zwischen ihnen errichten, aber aus Platzgründen, wegen der Lichtbeugung, der Lichtstreuung, und der Grenzflächenreflexion wäre das keine gute Methode. Besser wäre eine zeitliche Trennung. 1/20 Sekunde = 50 ms (Millisekunden) (allerdings hat dies den Nachteil, dass das Objekt seine eigenen Schatten, die man bei ausreichender Intensität der LEDs nicht sieht, wiedergibt, wenn man durch das Objekt hindurch auf sie blickt.) 50 ms = 20 ms CCD aktiv + 5 ms Pause + 20 ms LED aktiv + 5 ms Pause, und wieder von vorne. Falls man aus technischen Gründen keine zeitliche Trennung durchführen will, sondern kontinuierlich arbeiten will, dann könnte man die Mikrokameras und die Mikroprojektoren nebeneinander in getrennten Mikrogehäusen anordnen. Ideal wäre eine halbkugelige Form für die Abbildungsebene der Kameraprojektoren. Jedoch bestehen Halbleiterchips aus Monokristallen, die sich nur für ebene Flächen eignen. Als Kompromiss könnte man die Form eines Würfels wählen, der parallel zu zwei seiner gegenüber liegenden Flächen halbiert ist.

Ein großes Problem stellt die Leuchtdichte dar. Jedes Pixel betreut ein paralleles Lichtbündel von 3 mm Durchmesser. Das bedeutet, dass die Leuchtdichte jedes Pixels 90.000-mal so hoch sein muss, wie die Leuchtdichte im Lichtbündel. In der Blickrichtung zur Sonne werden die CCD-Sensoren wahrscheinlich beschädigt und die LED-Leuchtflächen werden es nicht verhindern können, dass man bei Sonne einen Schatten wirft.

In fernerer Zukunft könnte man diese Probleme mit der Photonik lösen. Schon heute existieren Lichtleiterfasern, die durch den Laser-Effekt das eintretende Licht aktiv verstärken können. Dann hat man nur noch das kleine Problem, wie man 8.100.000.000 rund ein Meter lange Lichtleiterfasern in den Innenraum von 90 cm Durchmesser stopft. Den korrekten Anschluss dieser Lichtleiterfasern sollte man von Mikrorobotern durchführen lassen. Im Prinzip gilt hier das grüne Verdrahtungsschema im Inneren des oben stehenden Bildes. Bei all dem sollte man nicht vergessen, dass man auch noch Platz für die Energieversorgung und den Passagier benötigt, denn sonst macht sich das Gerät nur selbst unsichtbar.

Unsichtbarkeit durch neue Metamaterialien auf Quantenebene

Das US-amerikanische Unternehmen HyperStealth Biotechnology Corp. arbeitet seit mehreren Jahren an ihrer Quantum Stealth Technology und entwickelte im Geheimen für das US-Militär einen Quantum Stealth Suit. Dieser soll es militärischen Spezialeinheiten erlauben nicht nur verdeckt, sondern nahezu unsichtbar zu operieren. Ermöglicht werden soll dies durch ein neues Material, das derzeit an der University of Pennsylvania erforscht wird. Die Idee dahinter ist, Materialien mit Licht interagieren zu lassen, ähnlich wie es Atome tun. Jedoch geschieht dies auf einem viel kleineren Level, sodass die künstlichen Strukturen kleiner als die Lichtwellen selbst sind. Dadurch sollen die optischen Eigenschaften nicht mehr so beschränkt sein, wie es bei konstitutiven Materialien der Fall ist. Eine Digitalisierung dieser Metamaterialien könnte dazu genutzt werden, das Licht genau auf der anderen Seite wiederzugeben. Ein Vorteil eines solchen Metamaterials ist, dass Licht nicht nur wie bislang durch Lupen und Spiegel gelenkt und reflektiert, sondern auch gedehnt, gestreckt, verzerrt und in weiteren Arten manipuliert werden kann.^[5]