شنل حرارتی سهبعدی؛ دستگاهی که گرما را از دید دوربینهای فروسرخ پنهان میکند
حتی اگر فردی در تاریکی کامل بیحرکت بماند و لباس استتار بپوشد، بدن گرم او همچنان در تصویر دوربینهای حرارتی دیده میشود. هر جسمی که دمایش بالاتر از صفر مطلق باشد، انرژی حرارتی منتشر میکند و کوچکترین اختلاف دمای آن با محیط میتواند بهصورت رد مشخص در دوربین فروسرخ ظاهر شود. اکنون مهندسان دانشگاه ایلینوی اربانا شمپین و دانشگاه فنی دانمارک نوعی شنل حرارتی سهبعدی ساختهاند که میتواند اثر حضور یک جسم را در میدان دمایی اطراف پنهان کند.
برای دستیابی به استتار واقعی، گرما باید پیش از رسیدن به جسم به مسیرهای مختلف تقسیم شود، از اطراف آن عبور کند و در سمت دیگر دوباره به مسیر اولیه بازگردد. در این حالت، جسم داخلی از تغییر دمای محیط محافظت میشود و دوربین بیرونی الگویی را میبیند که گویی هیچ مانعی در مسیر گرما وجود ندارد.
ساختار جدید با همین روش کار میکند. به گزارش نیواطلس، شنل از یک شبکهی آلومینیومی چاپ سهبعدیشده و مادهای لاستیکی به نام PDMS تشکیل شده است. رسانایی حرارتی بالای آلومینیوم مسیرهای مشخصی برای عبور گرما ایجاد میکند، درحالیکه PDMS با رسانایی بسیار پایین، مسیرهای نامطلوب را مسدود میکند. ترکیب این دو ماده باعث میشود گرما بدون ایجاد تغییر محسوس در الگوی دمای بیرونی، از اطراف فضای مرکزی عبور کند.
دوربینهای حرارتی حتی در تاریکی کامل، هر جسم گرمایی را تشخیص میدهند و اختلاف دمای ۰٫۰۱ درجه را هم میبینند
شنل حرارتی نمیتواند در تمام بخشهای خود رسانایی یکسانی داشته باشد. برخی نواحی باید گرمای بیشتری منتقل کنند و در هر نقطه نیز انتقال گرما در یک جهت باید آسانتر از جهت دیگر باشد.
پژوهشگران ابتدا با استفاده از روشی محاسباتی به نام «ترموتیک تبدیل»، مسیر مناسب حرکت گرما در اطراف فضای محافظتشده را محاسبه کردند. نتیجهی این محاسبات، نقشهای سهبعدی از رسانایی حرارتی موردنیاز در نقاط مختلف شنل بود.
تبدیل این نقشهی نظری به جسمی ساختنی، بخش دشوار پروژه محسوب میشد. گروه پژوهشی برای حل این مشکل از روشی به نام «ناهمگنسازی سهبعدی» استفاده کرد. ساختار اصلی شبکه از مجموعهای از میلههای عمود برهم تشکیل میشود که با تغییر ضخامت و جهت آنها میتوان میزان عبور گرما در هر مسیر را تنظیم کرد. سپس یک الگوریتم، اجزای تنظیمشده را به چارچوبی پیوسته تبدیل کرد که امکان چاپ سهبعدی آن وجود داشت.
- دوربین نظارتی SC41 معرفی شد؛ دید در شب و شناسایی سوژه با هوش مصنوعی16 مهر 04مطالعه '2
- با این ابزار عجیب میتوان انسانها را از پشت دیوار دید!06 خرداد 05مطالعه '1
شبکهی فلزی از آلیاژ آلومینیوم AlSi10Mg ساخته شد که رسانایی حرارتی آن حدود ۱۱۳ وات بر متر کلوین است. کوچکترین اجزای شبکه تنها ۰٫۵ میلیمتر اندازه داشتند. فضاهای خالی نیز با PDMS پر شدند که رسانایی آن حدود ۰٫۱۶ وات بر متر کلوین است. در پایان، کل ساختار داخل نوعی سیلیکون رسانای حرارتی قرار گرفت.
برای بررسی عملکرد دستگاه، پژوهشگران پوستهای به شکل گلابی ساختند و در مرکز آن هستهای سیبیشکل از جنس PDMS قرار دادند. این هسته نقش جسمی را داشت که باید از نظر حرارتی پنهان میشد.
بدون شنل، رسانایی پایین هسته باعث تغییر شکل خطوط همدما در اطراف آن میشد و حضور جسم را آشکار میکرد. پس از اضافهشدن شنل، گرما در اطراف هسته حرکت کرد و سپس تقریباً به مسیر قبلی خود بازگشت. در نتیجه، میدان دمایی بیرون تا حد زیادی بدون تغییر باقی ماند.
در آزمایش اصلی، نمونه میان دو صفحهی آلومینیومی قرار گرفت؛ یکی گرم و دیگری سرد. دوربین فروسرخ پس از مدتی، الگوی دمایی پایدار را ثبت کرد. آزمایشها در هر دو جهت افقی و عمودی نتایج مشابهی نشان دادند: دمای هستهی محافظتشده یکنواخت ماند و الگوی حرارتی بیرون تغییر محسوسی نکرد.
محققان عملکرد شنل را در مقیاسی اندازهگیری کردند که در آن صفر یعنی استتار کامل و یک یعنی آشکار بودن کامل. شنل در شبیهسازیها و آزمایشهای فیزیکی، به نتایج بسیار خوبی دست یافت و دادههای عملی با پیشبینیهای رایانهای همخوانی نزدیکی داشت.
کاهش رد حرارتی افراد و تجهیزات، واضحترین کاربرد احتمالی این فناوری است؛ اما کنترل دقیق مسیر گرما میتواند در صنایع دیگر نیز مفید باشد.
شنل حرارتی جدید با هدایت جریان گرما در اطراف اجسام، آنها را از دید دوربینهای فروسرخ پنهان میکند
در تجهیزات الکترونیکی کوچک، پردازندهها، باتریها، قطعات قدرت، حسگرها و تجهیزات نوری معمولاً با فاصلهی بسیار کمی از یکدیگر قرار میگیرند. چنین ساختاری میتواند گرما را از اطراف حسگر حساس عبور دهد، یک قطعه را از تراشهی داغ کناری جدا یا تجهیزات را در برابر گرما و سرمای شدید محیط محافظت کند. شلی ژانگ، استاد دانشگاه ایلینوی، میگوید هر حوزهای که به کنترل دقیق گرما یا جلوگیری از شناسایی حرارتی نیاز داشته باشد، میتواند از این روش بهره ببرد.
با وجود نتایج امیدوارکننده، نمونهی فعلی هنوز سازهای سخت و سفارشی است که فقط در شرایط کنترلشده و برای هدایت گرمای پایدار آزمایش شده است؛ بنابراین نمیتواند تابش حرارتی بدن یا تجهیزات گرم را در فضای باز پنهان کند.
پژوهشگران اکنون روی شنلهای هوشمندی کار میکنند که علاوهبر گرمای محیط، گرمای تولیدشده بهوسیلهی خود جسم را نیز مدیریت کنند؛ قابلیتی که میتواند به استتار فروسرخ و کنترل بهتر حرارت در تجهیزات الکترونیکی کمک کند.
