Nano-Forschung: Eine Tarnkappe ist keine Zauberei

Harry Potter kann es. Die Klingonen auch. Und Siegfried der Drachentöter sowieso. Sie alle beherrschen etwas, was wohl jeder von uns manchmal gern möchte: sich unsichtbar machen.

Harry Potter zieht seinen Zaubermantel über und – schwupp! – ist er nicht mehr zu sehen. Die Klingonen schalten ihren Tarnschirmgenerator ein und – zack! – verschwindet ihr Raumschiff vom Bildschirm. Siegfried der Drachentöter legt die Tarnkappe des Zwergenkönigs Alberich an und – zisch! – löst er sich in Luft auf – wenigstens optisch.

Alles gesponnen, alles reine Fantasie. Oder doch nicht?

Tatsächlich forschen Physiker seit einigen Jahren an Unsichtbarkeitsmänteln. Und sie kommen voran. Die gute Nachricht: Tarnkappen sind physikalisch möglich. Die schlechte: Sie sind äußerst schwierig zu konstruieren und funktionieren nur sehr eingeschränkt.

Das Prinzip eines physikalischen Tarnmantels ist simpel. Man braucht nur alle Lichtstrahlen, die auf einen Körper treffen, um diesen herumzulenken. Hinter dem Körper vereinigen sich die Strahlen dann wieder und bewegen sich normal weiter, als wären sie nie auf ein Hindernis gestoßen.

Das Licht muss um den Gegenstand herumgelenkt werden

Ein Beobachter, der auf den Tarnmantel blickt, sieht alles, was sich hinter diesem befindet; den Mantel selbst und seinen Inhalt sieht er aber nicht. Das Ganze ähnelt der Strömung in einem Bach: Trifft das Wasser auf einen kleinen Kiesel, dann teilt es sich, umfließt ihn, vereinigt sich wieder und strömt weiter, als wäre nichts gewesen.

Allerdings ist die praktische Umsetzung dieses Prinzips höchst kompliziert. Denn um Licht möglichst unauffällig um ein Objekt herumzuleiten, benötigt man optische Materialien mit ganz speziellen Eigenschaften.

Wie stark verschiedene Substanzen einen Lichtstrahl ablenken, hängt von ihrer Brechzahl ab. Luft zum Beispiel hat die Brechzahl 1, Wasser dagegen die Brechzahl 1,33. Taucht man etwa eine Stange in einen See, dann sieht es so aus, als wäre sie unter der Oberfläche abgeknickt. Das liegt daran, dass die Lichtstrahlen unter Wasser in eine andere Richtung laufen als in Luft. Durchstoßen die Strahlen nun die Wasseroberfläche, dann biegen sie um die Ecke und das führt dazu, dass wir die untergetauchte Stange an einer Stelle sehen, wo sie in Wirklichkeit nicht ist.

Für einen Tarnmantel braucht man ein durchsichtiges Material, dessen Brechzahl nach innen hin zunimmt – das haben Ulf Leonhardt von der schottischen Universität St. Andrews und John Pendry vom Imperial College London berechnet („Science“, Band 312, S. 1777). Denn damit das Licht das zu verbergende Objekt tatsächlich umfließt, muss es umso stärker abgelenkt werden, je tiefer es in den Mantel eindringt.

Doch damit nicht genug. Der Tarnmantel muss an einigen Stellen sogar eine negative Brechzahl haben. Weil er die Lichtstrahlen kurvenförmig um den Körper herumschleust, legen sie einen längeren Weg zurück als die Strahlen außerhalb des Mantels – und geraten deshalb ihnen gegenüber in Verzug. Den Effekt kann man relativ leicht entdecken, was die Tarnung auffliegen lassen würde. Deshalb muss das Licht im Tarnmantel schneller sein als außerhalb von ihm, damit es trotz seines längeren Laufwegs zur gleichen Zeit auf der anderen Seite ankommt. Und das geht nur mit einer negativen Brechzahl.

Optische Materialien mit solchen Eigenschaften waren bis vor kurzem noch unvorstellbar: Man kannte nur Stoffe mit positiven Brechzahlen. Außerdem war es lange Zeit nicht möglich, Substanzen herzustellen, deren Brechungsindex nach innen hin so stark zunimmt, wie es für eine Tarnhülle erforderlich ist.

Seit einigen Jahren können Physiker das aber, und zwar mit Metamaterialien. Das sind Substanzen, die aus mikroskopisch kleinen Metallstrukturen (meist Drähte und Schlaufen) bestehen. Wenn ein Lichtstrahl das Metamaterial durchläuft, erzeugt er darin kleine elektrische Ströme. Diese wirken auf den Strahl zurück und lenken ihn in eine bestimmte Richtung. Je nachdem, wie groß man die Drähte und Schlaufen herstellt und in welchem Abstand man sie anordnet, kommen unterschiedliche Brechzahlen für das Material heraus – darunter auch negative.

Allerdings funktioniert ein Metamaterial immer nur für eine bestimmte Wellenlänge. Zum Beispiel gelang es Forschern von der Duke-Universität im US-Bundesstaat North Carolina einen Tarnmantel für polarisierte 3,5-Zentimeter-Strahlen zu konstruieren. Dieser Mantel ist zwar für bestimmte Mikrowellen-Kameras unsichtbar, im optischen Bereich aber – also bei den Wellenlängen, in denen wir die Welt wahrnehmen – ohne Weiteres zu sehen.

Im Tarnmantel ist es stockduster - wer ihn trägt, ist blind

Physiker arbeiten jedoch bereits an Metamaterialien für sichtbares Licht. Einer von ihnen ist Stefan Linden von der Universität Karlsruhe. „Das Schwierige dabei ist, dass die Metallstrukturen des Materials nur wenige Millionstel Millimeter groß sein dürfen“, sagt er, „hier kommen enorme Anforderungen auf die Nanotechnologie zu.“ Selbst wenn es eines Tages gelänge, einen optischen Tarnmantel zu bauen, bliebe immer noch das Problem, dass er nur bei einer bestimmten Wellenlänge funktionieren würde – also nur bei einer Farbe. Wir könnten uns etwa für rotes Licht unsichtbar machen, wären aber in grünem oder blauem hervorragend zu erkennen. Da das natürliche Tageslicht alle Farben enthält, wäre eine solche Tarnkappe nicht viel wert.

Und die Forscher, die Menschen und Dinge unsichtbar machen möchten, stehen noch vor weiteren Schwierigkeiten. Das Metamaterial muss nicht nur bestimmte Brechzahlen aufweisen – es darf selbstverständlich auch nicht reflektieren, denn sonst würde es glänzen und die ganze Tarnung wäre dahin. „Man kann die Eigenschaften des Materials so einstellen, dass es möglichst wenig spiegelt“, sagt Linden. Absolut perfekt werde man das aber nie hinkriegen. Der Karlsruher Physiker bezweifelt, dass Unsichtbarkeitsmäntel in der Praxis je eine wichtige Rolle spielen werden. „Man kann so einen Mantel nur sehr klein machen“, sagt er, „denn je voluminöser und dicker er ist, umso mehr Licht verschluckt er.“

Tarnhüllen für sichtbares Licht dürften nicht größer sein als ein paar hundertstel Millimeter, sonst würden sie einen Schatten werfen. „Ich frage mich, warum man mit großen Aufwand Objekte verbergen soll, die man ohnehin kaum sieht“, erklärt Linden.

Doch wenn man einmal alle Probleme außer Acht lässt und sich vorstellt, es gäbe eines Tages tatsächlich Tarnmäntel für Menschen – wäre es nicht wunderbar, damit unbemerkt durch die Gegend zu schleichen?

Eher nicht. Denn wer sich den Mantel überzieht, wäre vollkommen blind! Logisch – wenn alles Licht um das Mantelinnere herumgelenkt wird, dringt nichts hinein, so dass es drinnen stockduster ist. Man könnte Sie womöglich nicht sehen, aber ganz sicher hören, wenn Sie – orientierungslos umhertastend – unterwegs Vasen, Eimer oder Papierkörbe umschmeißen würden.