Размер не имеет значения. Как раздуть муху до слона на экране тепловизора

Тепло ведет себя иначе, чем свет или звук: его нельзя «сфокусировать» линзой или спрятать компактным экраном. В обычных условиях оно медленно расползается за счет диффузии и размывает любые температурные узоры. Из-за этого инженерам сложно управлять тем, как объект выглядит для тепловизора и как он взаимодействует со своей тепловой средой. На практике чаще всего приходилось полагаться на толстую изоляцию, массивные теплоотводы или крупные пассивные конструкции.

Авторы нового исследования предложили обходной путь: они показали устройство, которое заставляет небольшой объект искажать тепловой поток так, словно перед нами объект намного крупнее. В эксперименте компактная «мишень» создавала тепловой след, эквивалентный телу с радиусом в девять раз больше, при этом сам объект физически не меняли. Такой эффект исследователи называют thermal superscattering, то есть «сверхрассеяние» тепла: снаружи система выглядит так, будто тепловой поток обтекает куда более крупное препятствие.

Идея опирается на направление, известное как термотика: управление стационарным переносом тепла с помощью специально организованных материалов и геометрии. В теории можно так «перенастроить» пути диффузии вокруг тела, чтобы температурная картина за пределами оболочки совпала с картиной от совсем другого, «виртуального» объекта иной формы или размера. Но при попытке сделать маленькое тело «похожим» на очень большое математика приводит к неприятному требованию: части оболочки нужна отрицательная теплопроводность. Пассивного материала с таким свойством быть не может, поскольку он должен был бы перегонять тепло от холодного к горячему без внешней энергии, что противоречит базовым принципам термодинамики.

Вместо поисков невозможного материала команда заменила проблемный участок активной границей, своего рода «тепловой метаповерхностью». По периметру оболочки разместили управляемые элементы, которые локально добавляют тепло или, наоборот, отбирают его в строго рассчитанном режиме. Фактически это распределенные микропомпы тепла, которые потребляют электрическую энергию, поэтому никакого конфликта с законами термодинамики здесь нет. Благодаря такой активной подстройке поток тепла начинает огибать объект так, как если бы он был гораздо больше.

Чтобы подтвердить подход, исследователи собрали установку на медной пластине и задали на ее концах постоянный температурный перепад: 320 K с одной стороны и 287 K с другой. В центре находился небольшой теплоизолированный диск радиусом всего 10 мм. На расстоянии 30 мм вокруг него установили кольцо из 10 термоэлектрических модулей, каждый закрывал сектор 36 градусов. Термоэлектрические элементы удобны тем, что могут как нагревать, так и охлаждать в зависимости от направления тока, то есть подходят для точного активного контроля. После примерно 30 секунд стабилизации температуру на поверхности измеряли тепловизором и сравнивали несколько сценариев: «чистую» медь, маленький изолятор без активного кольца, большой изолированный участок радиусом 90 мм и, наконец, маленький изолятор с активным кольцом.

Когда модули включали по расчетному шаблону теплового потока, полученная температурная картина оказалась близка к случаю большого изолированного участка. Иными словами, небольшая конструкция убедительно имитировала тепловое влияние объекта с девятикратно большим радиусом. По данным авторов, моделирование также подтверждает, что метод можно распространить на не круглые формы, если сохранять правильные правила управления на границе.

Практический смысл работы в том, что «тепловые иллюзии» и манипуляция ИК-подписью теперь выглядят не чистой теорией, а инженерной задачей. В перспективе такие системы могут пригодиться для инфракрасной маскировки, более тонкого управления теплом в компактной электронике или перенаправления тепловых потоков в энергетических устройствах. Исследование опубликовано в журнале Advanced Science