Meta-Materialien: Mach dich unsichtbar wie Harry Potter mit seinem Tarnumhang

Meta-Materialien: Das musst du dazu wissen

• Tarn-Kappen und -Mäntel spielen in Fantasy- und Science-Fiction-Geschichten eine wichtige Rolle, etwa bei Harry Potter oder Herr der Ringe. Die magischen Kleidungsstücke sind allerdings schon aus griechischen und germanischen Mythen wie dem Nibelungenlied bekannt.

• Mithilfe der magischen Tarn-Gegenstände werden die Träger:innen für kurze Zeit unsichtbar.

• Sogenannte Meta-Materialien könnten das auch in der Realität wahr werden lassen. Denn das sind künstlich hergestellte Werkstoffe mit spannenden Eigenschaften.

• Meta-Materialien können etwas ganz Besonderes. Sie beeinflussen Licht- oder Schallwellen so, wie es kein natürliches Material kann. Genau diese Fähigkeit hilft ihnen dabei, ein Objekt unsichtbar zu machen.

• Die folgenden Abschnitte erklären, wie weit die Wissenschaft bei Meta-Materialien schon gekommen ist und wie das Prinzip funktioniert.

Was sind Meta-Materialien eigentlich genau?

🌍 Bei allen natürlichen Materialien hat die Natur ihre optischen Eigenschaften und ihre atomare Struktur vorgegeben.

🏭 Meta-Materialien dagegen sind Werkstoffe, die im Labor entstehen. Die Folge: Sie besitzen bestimmte optische, magnetische oder elektrische Eigenschaften. Und die kommen so in der Natur nicht vor.

🪢 Die Werkstoffe bestehen aus winzigen Bauklötzchen in mikroskopisch feinen Strukturen. Das können beispielsweise Mini-Hufeisen aus Metall oder Kupfer-Ringe sein. Die immer gleichen Elemente werden anschließend gestapelt oder aufgereiht. Zusammen ergeben sie dann eine dreidimensionale Form.

🔦 Je nachdem, welche Form die Bau-Elemente besitzen, können Meta-Materialien dann etwa elektromagnetische Strahlung umleiten, streuen oder formen. Oder ein Lichtstrahl wird durch sie genau andersherum gebrochen als in der Natur.

🔬 An Meta-Materialien forschen Wissenschaftler:innen schon lange. Der Begriff wurde in den späten 1990er-Jahren vom britischen Physiker John Pendry geprägt.

So kann die Struktur von Meta-Materialien aussehen

Wie Meta-Materialien Gegenstände unsichtbar machen könnten

• Um zu verstehen, wie Tarn-Kappen funktionieren könnten, müssen wir uns bewusst machen, wie wir eigentlich sehen. Treffen Lichtstrahlen auf ein Objekt, werden diese von seiner Oberfläche zurückgeworfen. Die reflektierte Strahlung gelangt anschließend zu unseren Augen.
• Der Gegenstand wird also sichtbar, weil er den Gang des Lichts blockiert hat. Soll ein Objekt stattdessen unsichtbar werden? Dann muss eine Technologie verhindern, dass das Licht von ihm abgelenkt wird.
• Das ist mit Meta-Materialien möglich - theoretisch. Sie können optische Wellen anders beeinflussen als andere Materialien. Physikalisch ausgedrückt bedeutet das, dass sie den Brechungsindex des Lichts ins Negative verkehren. Die Strahlung wird beim Auftreffen nicht zum Lot hin gebrochen, sondern darüber hinaus in die entgegengesetzte Richtung.
• Anders gesagt: Das Licht, das Betrachter:innen wahrnehmen, erscheint damit so, als wäre es nie mit dem Objekt in Berührung gekommen. Folglich erscheint es unsichtbar.
• Bisher ist das aber nur mit winzigen und unbeweglichen Objekten gelungen. Es hat außerdem nur mit einer bestimmten Wellenlänge des Lichts sowie in Laborversuchen geklappt. Die ersten Versuche sind dennoch vielversprechend.
• Bis wir jedoch wirklich einen Tarn-Umhang à la Harry Potter nutzen können, dürften noch Jahrzehnte vergehen - wenn es überhaupt klappt.

Wie das erste "Tarntuch" funktioniert

🧪 Ein "Tarntuch" haben Forscher:innen der University of California in Berkeley 2015 vorgestellt. Es besteht aus einem extrem dünnen Meta-Material und schmiegt sich wie eine Haut an Dingen an.

📏 Das Tuch ist nur 80 Nanometer dick. Zum Vergleich: Ein Nanometer entspricht einem milliardstel Meter. Ein Nanometer sind also 0,000000001 Meter. Das kannst du dir vielleicht in größerem Maßstab vorstellen: Eine Gitarre ist ungefähr einen Meter lang. Um das Verhältnis zwischen einem Nanometer zu einem Meter darzustellen, könntest du also eine Milliarde Gitarren nebeneinanderlegen.

🪙 Das ultradünne Tuch hat eine Struktur mit winzigen Blöcken aus Gold. Diese Meta-Oberfläche kann das einfallende Licht manipulieren.

🔍 Objekte wurden tatsächlich unsichtbar, wenn sie sich unter dem Tuch befanden. Allerdings durften diese nur 40 Mikrometer groß sein. Ein Mikrometer ist ein Millionstel eines Meters, oder 0,000001 Meter. Außerdem fungierte das Tuch nur dann als Tarn-Kappe, wenn die Forscher:innen ein rotes Licht in einer bestimmten Wellenlänge nutzten.

💡 Im Magazin Science stellten die Wissenschaftler:innen ihre Versuche vor. Sie sind optimistisch: Solche Meta-Materialien könnten künftig auch „in großem Maßstab hergestellt werden, um große Objekte zu verbergen", heißt es im Science-Text.

Erste Versuche mit einem "Tarntuch": Wie ein Objekt verschwindet

Hier könnten Meta-Materialien praktisch eingesetzt werden

🚢 Beim Militär, um etwa Kriegsschiffe oder Militäranlagen zu verbergen.

🎧 Als Schallschutz: Meta-Materialien können auch Schallwellen beeinflussen. Forscher:innen arbeiten an effektiven Schallschutzwänden, die sogar den Lärm von Flugzeugturbinen schlucken würden.

📷 In der Kameratechnik: Mithilfe von Meta-Materialien können ultraflache Kameralinsen angefertigt werden. Chinesische Wissenschaftler:innen haben bereits eine drei Millimeter dünne Weitwinkel-Kamera entwickelt.

📱 Im Mobilfunk: Meta-Materialien könnten auch in Glasscheiben eingesetzt werden. Dann würden sie bestimmte Funkfrequenzen zu verstärken, etwa von 5G-Signalen.

🧱 Als Erdbebenschutz: Forscher:innen arbeiten sogar an Meta-Materialien, die Gebäude vor Erdbeben schützen könnten. Diese dienen als eine Art Tarn-Kappe für seismische Wellen. Dazu soll ein Wall aus Meta-Material-Ringen im Boden verankert werden.