Grön energi blir osynlig

Med en gammaldags illusion har en uppfinnare tagit fram en osynlighetsmantel. Den kan inte bara göra människor, fordon och byggnader osynliga, den kan dessutom tredubbla produktionstakten för solceller.

Med en gammaldags illusion har en uppfinnare tagit fram en osynlighetsmantel. Den kan inte bara göra människor, fordon och byggnader osynliga, den kan dessutom tredubbla produktionstakten för solceller.

Claus Lunau/Shutterstock

En halv man vandrar ut över området med solcellspaneler. Bara hans fötter, huvud och ena armen syns. Resten av mannen är osynlig och har ersatts av markens gröna gräs.

Hans kropp är täckt av den senaste och mest lovande versionen av en verklig osynlighetsmantel som kan göra det svårt att upptäcka även stora objekt.

Plastmaterialet i manteln har skapats av den kanadensiske uppfinnaren Guy Cramer på företaget Hyperstealth, som har arbetat med projektet sedan 2011. Det fungerar på så sätt att det omdirigerar ljusets bana och skapar ett osynlighetsfält bakom sig. Med ett mycket enkelt tillägg kan materialet samla upp de ljusstrålar som passerar förbi solcellerna och pressa upp elproduktionen åtskilliga pinnhål.

Forskare bryter ljuset

Fram till år 2000 var osynlighet bara en avlägsen dröm i gamla science fiction-filmer – en idé som var lika fjärran som warpdrift och tidsmaskiner. Men vid millennieskiftet utvecklade fysikern sir John Brian Pendry från Imperial College i London, England, en teori om ett material som dirigerar ljusvågor runt ett objekt och på så sätt döljer föremålet.

Idén bygger på att ljus rör sig genom olika material med olika hastigheter. Du har upplevt fenomenet när exempelvis ett sugrör sticks ned i ett glas vatten, och det plötsligt ser ut att brytas av vid övergången från luft till vatten eftersom ljusstrålarna rör sig långsammare genom vatten än luft.

Den nya plastens förmåga att böja ljusvågor kan bland annat komma till nytta i solceller. Företaget bakom osynlighetsplasten Hyperstealth har exempelvis använt plasten till att täcka en spegel som skickar solljus vidare till en solcellspanel. När specialspeglar placeras över, under och på bägge sidor om en solcellspanel nära tredubblas det reflekterade solljuset elproduktionen från de vanligaste solcellerna.

1) 30 watt solcell av monokrystallin utan osynlighetsplast

2) 30 watt solcell av monokrystallin med osynlighetsplast

3) 50 watt solcell av polykrystallin utan osynlighetsplast

4) 50 watt solcell av polykrystallin med osynlighetsplast

© Lasse Alexander Lund-Andersen

Föremålet bryts alltid åt samma håll i naturliga material som vatten. Det kallas positiv brytning. Pendry förutspådde emellertid att konstgjorda material skulle kunna bryta sugröret åt andra hållet i en så kallad negativ brytning.

Om det gick att framställa ett material med negativ brytning skulle det uppstå en dold zon bakom materialet, där inga ljusstrålar passerar. I den zonen blir objekt osynliga.

Ringar skapar osynlighet

Det tog sex år innan idén realiserades. 2006 lyckades fysikern David Smith från Duke University i USA utveckla ett sådant material – även kallat ett metamaterial.

David Smiths osynlighetsmantel bestod av ihåliga ringar som har placerats inuti varandra. Objektet, som ska döljas, placeras sedan i mitten av ringsystemet. Det uppstår negativ brytning när både hålen i ringarna och det inbördes avståndet dem emellan är mindre än ljusets våglängd. På så sätt dirigeras ljuset runt föremålet på samma sätt som vattnet i en å som strömmar runt en sten och återförenas efter den.

©

Färgbyte nollställer ljuset

Åtskilliga forskare arbetar med att skapa osynlighet. Vid kanadensiska INRS har forskare uppfunnit en metod som kallas spektral osynlighet. För att åstadkomma det måste de först skapa ett virrvarr av färger.

Kameran ser ljusets naturliga reflexion

Den gröna tärningen är bara synlig eftersom tärningen reflekterar tillbaka grönt ljus till kameran. Alla övriga våglängder i vitt ljus passerar genom tärningen och returneras inte till kameran. Det är så ljus normalt uppför sig.

Den första linsen eliminerar grönt ljus

När en lins placeras mellan den gröna tärningen och kameran förändrar linsen de gröna våglängderna i vitt ljus till andra färger. Därmed passerar allt ljus genom tärningen så att den förblir osynlig för kameran. Metoden kallas spektral osynlighet.

Den andra linsen återställer det vita ljuset

Den andra linsen bakom tärningen fungerar på motsatt sätt och återskapar det ursprungliga vita ljuset som skickades tillbaka mot tärningen innan de gröna våglängderna avlägsnades av den första linsen. På så sätt passerar ljuset tärningen utan att avslöja den.

Kameran fångar inte upp någonting

Den spektrala osynlighetmanteln gör alltså tärningen osynlig både framifrån och bakifrån, så att kameran inte ser den. Tekniken fungerar i hela det synliga spektrat av ljus och begränsas inte till den gröna färgen.

Eftersom det dolda föremålet bara var osynligt för mikrovågor men fortfarande fullt synligt för blotta ögat var vägen till praktisk osynlighet lång. Det problemet brottas metamaterialen fortsatt med. De kan bara dölja ett objekt för ett fåtal utvalda våglängder av ljus.

Enkelt trick trollar bort ljuset

Kanadensaren Guy Cramer valde en mycket enklare väg än forskarna – en väg som senare skulle visa sig bli ett genombrott inom grön energi.

Hans mål var från början att utveckla ett billigt osynlighetsmaterial som kan produceras industriellt i stor skala. Inspirationen hittade han i en välkänd illusion kallad lentikulära linser.

Illusionen är nog vanligast förekommande i de kort som visar en bild från ena hållet och en annan när det vrids lätt. Traditionellt skapas illusionen genom att klistra en bild på linsernas flata baksida.

Den fungerar eftersom ytan består av rader av böjda linser som dirigerar ljusets bana. Cramers första trick var att avlägsna bilden bakom linserna. I stället placerade han en ljuskälla framför plasten och ett objekt i en vinkelrät linje bakom förhänget.

Plasten fick nu en positiv brytning och skickade ljusstrålarna åt sidan och förbi objektet, som därmed blev osynligt. Men när iakttagaren tittade genom plasten från någon annan vinkel var föremålet dessvärre lika synligt som ett sugrör som bryts av i ett glas vatten.

Guy Cramer klistrade därför ihop två bitar plast med lentikulära linser så att de stod rygg mot rygg. Till sin förvåning visade det sig att han hade framställt ett enkelt material med en negativ brytning som skapade en äkta osynlighetszon bakom plasten.

Men utmaningarna stannade inte där. Om en dubbellins exempelvis gör grannens bil osynlig på uppfarten framför huset innebär det samtidigt att plasten spegelvänder omgivningen. Det innebär att parkerade bilar längs trottoaren står felvända, vilket avslöjar manipulationen.

Med den nya tekniken kan solcellers produktion tredubblas

Därför framställde uppfinnaren ett plastförhänge med två dubbla lager av lentikulära linser, som bevarade den osynliga zonen och avlägsnade spegelvändningen av bakgrunden. Denna osynlighetsmantel har Guy Cramers företag, Hyperstealth, nu har sökt patent på.

Osynligheten fungerar både i synligt ljus och framför infraröd värmestrålning. Men plastmanteln är bara en prototyp som inte blir helt perfekt eftersom själva plastförhänget ser ut som en matt slöja. Cramer tror dock att det kommer att bli möjligt att utveckla en plast som är kristallklar och inte avslöjar sig själv.

Osynligheten blir grön

I många år har forskare sökt efter metoder att fånga upp så mycket ljus som möjligt i solcellerna, eftersom det i så fall blir möjligt att rikta de ljusstrålar som passerar vid sidan om solcellerna mot dem. Detta skulle öka produktionen markant. Tidigare har användandet av speglar för att uppnå den effekten fallit på att reflexionen från den punkt där solljuset koncentreras kan bli så kraftig att det starka ljuset kan förstöra solcellerna.

Här har Guy Cramers uppfinning avslöjat en oförutsedd fördel. Hans osynlighetsmaterial kan användas till att sprida ut strålarna så att de inte skadar solcellerna. Detta uppnås genom att man täcker en spegel med ett lager plast och ett finmaskigt gitter som fördelar det inkommande solljuset jämnt över hela spegelns yta.

Enligt Hyperstealth har man lyckats tredubbla elproduktionen från de vanligaste solcellerna. Därmed innebär den nya uppfinningen inte bara en lovande framtid för den ständigt växande osynlighetsforskningen – tekniken kan dessutom vara början till en ny era inom grön energi.

Se osynligheten förstärka solcellerna