Стремление стать невидимым возникло у человечества очень давно. Охотники и военные веками искали способы камуфлировать себя, однако учёные уже почти приблизились к реализации подлинной невидимости.

Современные стелс-технологии позволяют не только укрыть самолёты от радаров, но и скрыть высокотемпературные сигнатуры от инфракрасных камер, а также предотвратить фиксацию звуковых волн. Насколько мы близки к открытию технологии невидимости?

Прячемся на ровном месте

Мы видим предметы, потому что когда свет взаимодействует с ними, он поглощается и отражается. Прозрачные предметы, например окна, пропускают свет почти без помех. Чтобы плащ-невидимка скрыл непрозрачный объект, он должен перенаправлять окружающий его свет.

Одно из первых маскировочных устройств было разработано в 2006 году для проверки концепции инженерами Дьюкского университета (Северная Каролина, США). Это экспериментальное устройство состояло из медного цилиндра, «прячущегося» благодаря отклонению окружающих его микроволн, из-за чего его присутствие оставалось практически незаметным для детектора микроволн.

Оно было изготовлено из метаматериала — структуры, состоящей из периодического массива элементов, повторяющейся в трёх измерения, которая придавала устройству его необычные свойства.

Это первое устройство для создания невидимости работало только для микроволн — электромагнитного излучения с относительно большими длинами волн. Сделать предмет невидимым в видимом свете, имеющем гораздо более короткие длины волн — гораздо более сложная задача.

Это связано с тем, что в наномасштабах в дело вступают квантовые эффекты; кроме того, устройство-невидимка работало только для конкретной длины микроволн. Чтобы оно было действительно невидимо для всего света, ему нужно скрыть себя от всех цветов радуги.

Плюс устройство работало только для небольшого размера, а не с людьми.

Ещё один прорыв произошёл в 2018 году, когда исследователи Гарварда и Университета Уотерлу (Канада) продемонстрировали устройство, состоящее из массива металинз (плоских поверхностей, использующих для фокусировки света наноструктуры — в данном случае «наноплавников» на основе титана); оно способно было искривлять широкий спектр длин волн окружающего видимого света.

Это стало ещё одним шагом вперёд, однако настоящий носимый плащ-невидимка по-прежнему оставался недостижимой целью.

«Все хотят получить плащ, который можно надевать, но мы пока не можем создавать столь гибкие материалы. Современные материалы — это цилиндры, внутри которых можно прятаться. Но создание чего-то носимого — это совершенно иная задача», — рассказывает адъюнкт-профессор теоретической физики Эксетерского университета (Англия) Саймон Хорсли.

Невидимость в небе

Возможно, от создания настоящего плаща-невидимки нас отделяют годы, но уже сегодня есть устройства, делающие предметы практически невидимыми в других длинах волн: например, конструкционные принципы и материалы, скрывающие военные реактивные самолёты от радаров (как показанный ниже стелс-бомбардировщик).

Работа радара заключается в испускании залпов импульсов радиоволн и поисках волн, отражённых объектами, с которыми они столкнулись. Благодаря этому приёмник радиолокатора может вычислить, насколько далеко находится объект.

Воздушные суда изготавливаются из металла, поэтому очень хорошо отражают сигналы радаров, а значит, их можно легко обнаружить. Но есть два аспекта, которые могут помочь самолёту быть невидимым.

Во-первых, это форма. Скруглённые формы пассажирского самолёта отлично отражают сигналы радара, потому что под каким бы углом переданный сигнал ни столкнулся с самолётом, часть его всё равно вернётся к приёмнику.

Именно поэтому стелс-самолёты почти всегда имеют конструкцию из плоских поверхностей и резких углов — они тоже отражают сигналы радаров, но не напрямую к приёмнику.

Во-вторых, для повышения прозрачности для радаров не следует изготавливать воздушные суда из проводящих электричество материалов, таких как металлы и углеродное волокно.

Если это невозможно, то самолёт можно покрыть специальным материалом, поглощающим сигналы радаров. Такие покрытия поглощают радиоволны и преобразуют их энергию в тепло, а не отражают обратно.

Один из примеров такого покрытия — iron ball paint, содержащая микроскопические железные сферы, частота резонанса которых соответствует типичным частотам радаров. При контакте сигнала радара с самолётом сферы резонируют и преобразуют его энергию в тепло, рассеивающееся в атмосферу.

Благодаря этому стелс-самолёт может выдать себя за маленькую птицу. Однако такие материалы эффективны только для определённых длин волн, а рост вычислительных мощностей радарных систем всё больше усложняет попытки самолётов спрятаться от них.

Разумеется, самолёт-невидимка должен уметь скрываться не только от радиочастот. Часто их красят в чёрный цвет и они летают по ночам, а пилотам сообщают высоты, где наименее вероятно образование инверсионных следов, что усложняет их распознавание в небе.

Проблема заключается и в высокой температуре, излучаемой двигателями.

Частично её можно решить, включив подачу холодного воздуха окружающей среды в горячий выхлоп и при помощи щелевидной выхлопной трубы, оптимально смешивающей горячие выхлопные газы с холодным воздухом. В некоторых конструкциях самолётов выхлопные отверстия даже расположены над крылом, чтобы скрыть их от находящихся внизу наблюдателей.

Электромагнитные метаповерхности следующего поколения обещают обеспечить ещё более эффективный способ перенаправления входящих электромагнитных волн, однако проблема сокрытия от широкого спектра длин волн остаётся актуальной.

Становится жарковато

Для солдат проблема заключается в камуфлировании от инфракрасного оборудования. Тело человека естественным образом отдаёт примерно 200 Вт инфракрасного излучения (IR), или тепла — примерно как три лампы накаливания; при наличии подходящего оборудования такое излучение легко обнаружить.

Простой и дешёвый инфракрасный плащ-невидимка — это одеяло из алюминиевой фольги. Подобные блестящие металлы имеют почти нулевой коэффициент излучения — величину, показывающую, насколько хорошо материал отдаёт тепловое излучение.

В течение коротких промежутков времени оно срабатывает на удивление хорошо, но вскоре внутри одеяла накапливается тепло и его становится легко обнаружить. Кроме того, если коэффициент излучения в средах, где скрывается человек, выше, чем у одеяла, то в камере оно будет выглядеть, как холодное пятно.

Более эффективный камуфляж, над которым работает команда профессора Коскуна Кокабаса из Манчестерского университета, активно адаптируется к окружающей среде, подобно хамелеону.

«Изначально мы поставили задачу создания умных поверхностей, способных имитировать этих животных», — рассказывает Кокабас.

Это становится возможным благодаря устройствам на основе графена. «Меняя оптические свойства графена, можно изготавливать адаптивные поверхности, позволяющие камуфлироваться от видимого, инфракрасного и даже микроволнового излучения».

Материал использует оптические свойства падающего света, взаимодействующего с электронами на его поверхности. Графен — это двухмерный материал, уникальный тем, что на его поверхности есть множество мобильных электронов. Благодаря этому он очень обладает невероятной электропроводимостью.

«В фундаментальном смысле нам нужен не материал, а электроны. Если нам удастся управлять электронами на поверхности графена, то мы сможем менять отражаемость, поглощение и излучение тепла. Графен — это платформа, дающая нам подобные настраиваемые оптические свойства», — делится Кокабас.

Это реализуется при помощи внедрения ионов между слоями графена.

Благодаря этому процессу команда Кокабаса может изменять мобильность электронов на поверхности графена, что позволяет управлять оптикой материала, в том числе и коэффициентом излучения.

В 2022 году команда изготовила куртку с 42 графеновыми накладками, работавшими подобно пикселям дисплея. На поле боя подобную одежду можно было бы применять для подстраивания под излучение окружающей среды, что сделало бы её владельца невидимым для инфракрасной камеры.

Однако графен был выделен всего двадцать лет назад, и до сих пор существуют трудности в интеграции двухмерных материалов с трёхмерными. Но если решить эту проблему, такие надеваемые устройства, способные маскироваться и от инфракрасного, и от видимого излучения, позволят нам сделать ещё один шаг к настоящим плащам-невидимкам.

Будь видим, но не слышен

В беззвучности природа может дать человеку фору. Возьмём для примера африканского мотылька Bunaea alcinoe. Это ночное существо, поэтому его не беспокоит видимость для хищников в инфракрасном или видимом излучении. Его основная проблема — обнаружение летучими мышами при помощи эхолокации.

Это крошечное насекомое эволюционно развило на чешуйках своих крыльев и мехе идеальный акустический плащ-невидимку, эффективно поглощающий ультразвуковые сигналы летучих мышей, препятствуя их отражению, а значит, и обнаружению.

Этот гениальный механизм был обнаружен профессором Марком Холдеридом из Бристольского университета, став первым встреченным в природе акустическим метаматериалом.

Акустические метаматериалы — это структуры, способные управлять движением звуковых волн по своей структуре. Но, в отличие от инфракрасных метаматериалов, где со световыми волнами взаимодействуют электроны, расположенные между равномерно распределённых атомов углерода, в акустических периодический массив структур взаимодействует со звуковыми волнами.

«Это позволяет нам экспериментировать со структурой, геометрией и материалами. Мы можем объединить их в периодическую структуру, способную очень сильно отражать, преломлять или поглощать определённые звуковые частоты», — рассказывает исследователь метаматериалов и адъюнкт-профессор Саутгемптонского университета Феликс Лангфельдт.

Гениальность таких структур заключается в том, что они способны поглощать звуковые волны гораздо более низких частот, чем традиционные материалы, и могут быть при этом гораздо тоньше.

«Представьте лист толщиной с бумагу, способный поглощать звук так же, как бетонная стена», — объясняет Лангфельдт. Такие структуры можно использовать, чтобы заглушать раздражающий шум, например от систем вентиляции или самолётов.

Но акустические метаматериалы не просто заглушают шум или вибрацию. Их можно также использовать для перенаправления вибраций (если, например, нужно перенаправить землетрясение рядом с фундаментом здания) и для использования энергии вибрации.

Доцент Эксетерского университета Грегори Шаплен исследует эту передовую технологию.

«Вибрации в автомобиле приводят к большой трате энергии — например, шум от них может сильно раздражать. Если локализовать эту энергию, направляя её при помощи метаматериалов, и установить какое-то устройство для откачки этой энергии, то её затем можно использовать».

Такие системы можно было бы использовать для накапливания вибраций окружающей среды с целью подачи питания на небольшие устройства наподобие датчиков, расположенных в трудодосягаемых местах: на мостах, ядерных реакторах или самолётах.

Это означает, что, теоретически, города будущего из метаматериалов могут быть тихими, накапливающими энергию, защищёнными от сейсмической активности и, возможно, даже невидимыми.