Termal Kameralar İçin Bir Düşman

Termal Kameralar İçin Bir Düşman

Son yıllarda, metamalzemeler ve diğer teknolojiler üzerinde yapılan araştırmalar, sözde görünmezlik pelerini ve kamuflaj için uygulanabilir renklendirme konularındaki gelişmeleri teşvik etmiştir.  Fakat bu teknolojiler görünür ve morötesi bantlar için yüzeylerden yansıyan elektromanyetik enerjiyi saklama konusuna odaklanmıştır. Sıcak cisim ve bedenlerden rast gele yayılan Kızılötesi radyasyonu saklamak ise farklı bir çalışma olmasının yanında eşit derecede zorludur.

Ayrı çalışmalardaki iki araştırma grubu, geniş bantlı kızılötesi radyasyon için hafif görünmezlik pelerini üretimi konusuna öncülük edebilecek farklı rotalar izlemektedir. Çalışmalardan bir tanesi; elektriksel ayarlanabilir uyarlamalı termal kamuflaj sağlamak için iyonik sıvılar ile güçlendirilmiş grafen katmanlarını kullanmaktır. Diğeri ise termal yayınımı gizleyecek çok ince görünmez plaka oluşturmak için metal-dielektrik (yalıtkan) nano yapılarından oluşan bir ağ ve küçük ölçekli kızılötesi yayıcılar kullanmaktır.  “Sonuç: Isıya duyarlı kamerayı kandırmak için iki yeni potansiyel yol”.

Grafen Yaklaşımı

Önceki araştırmacılar, dinamik olarak kontrol edilip ayarlanabilen ve faz değiştirici malzeme, elektrokromik boya ve plazmonik rezonatör içeren termal yayılım için farklı tekniklere bakmışlardır. Fakat aktif termal kamuflaj için bu yaklaşımların çoğu, sert platformlar üzerine inşa edilmiştir. Ayrıca düşük ayarlanabilirliğe sahip olup, dar bir spektral bandı örttüklerinden pratik kullanım için çok yavaş çalışmaktadırlar.

Türkiye’den, İngiltere’den ve Amerika’dan araştırmacılar, Bilkent Üniversitesi’nden Coşkun Kocabaş’ın ve Machester Üniversitesi’nin önderliğinde bu problemler çerçevesinde olası bir yol olarak hibrid kimyasal-fiziksel sistemlere bakmışlardır (Nano Lett., doi: 10.1021/acs.nanolett.8b01746). Takım, meşhur 2-D malzeme olan grafenin optik soğurma özelliklerinin elektrostatik yükleme yöntemi ile ayarlanabildiğini bilmektedir. Bu yöntemde malzemeye iyon katkısı yapılır, grafenin nadir rastlanan bağ yapısından dolayı ışık geçirgenliği engellenir ve buna Pauli blokesi denir.

Elektriksel Kontrol Edilen Kızılötesi Perdeleme

Kocabaş liderliğindeki ekip, aktif termal kamuflaj sağlayabilecek bir cihaz oluşturmak için elektrostatik geçitlere basmak istemiştir. Bunu yapmak için, bir arka elektrot olarak işlev gören bir altın yüzeyin üstüne yerleştirilmiş gözenekli, IR-saydam bir polietilen membranın üstüne birden fazla grafen tabakası yerleştirmişlerdir. Daha sonra polietilen membran uçucu olmayan bir iyonik sıvı (yani bir elektrolit) ile doyurulmuştur. Tüm cihazın kalınlığı 50 mikrondan daha azdır ve ağırlığı yaklaşık 30 g / m2’dir.

Altın ile grafen arasında bir voltaj sapması uygulandığında, sıvıdan gelen iyonlar grafen katmanları arasındaki boşluklara girerek yük yoğunluğunu arttırır ve grafenin IR emilimini ve dolayısıyla IR emisyonunu da bastırır. Ekip, 3 V’luk bir sapma altında cihazın, ekranın arkasındaki insan elinden termal radyasyon emisyonunu tamamen kapattığını gösterebilmiştir, Kapak fotoğrafında görüldüğü üzere. Etki, voltaj sapması uygulandıktan sonra bir saniyeden daha az bir tepki süresi ile hızla devreye girmektedir. Cihazın bir ısılçift (İng:Thermocouple) ile bağlanmasıyla ekip, uyumlu bir kamuflaj sistemi kurabilmiş ve cihaz, altta yatan nesnenin sıcaklığındaki değişikliklere dinamik olarak yanıt vermiştir.

Sonuç olarak, araştırmacılara göre, IR emisyonlarını gizlemek için “günlük nesnelerin etrafına kolayca sarılabilen” ince, hafif ve esnek bir cihaz elde edilmiştir. Ekip testleri, cihazın çeşitli sıcaklık ve basınç koşulları altında tam kızılötesi spektrumda uyarlanabilir kamuflaj sağlayabileceğini göstermektedir. Böylece, kamuflajın yanı sıra, araştırmacılar bu tekniğin  uzayda uydular için uyarlanabilir IR optiklerinde ve uyarlanabilir ısı kalkanlarında uygulanabileceğini görmüşlerdir.

Nanomalzeme “Görünmez Plaka”

Wisconsin Üniversitesi’nden OSA üyesi Hongrui Jiang ve ekibi, Kızılötesi kameraları kandırmak için başka bir method izlemişlerdir (Adv. Eng. Mater., doi: 10.1002/adem.201800038). Takıma göre iyi tasarlanmış  ve Kızılötesi yayımını kontrol edebilecek ileri kompozit nanoyapıya sahip bir malzeme, termal radyasyona karşı geliştirilebilecek hafif bir “görünmezlik pelerini” elde etmek için vazgeçilmezdir. Çalışmaların sonucunda hafif bir IR “gizli tabaka” elde edilmiştir.  Araştırmacılar, emisyonları 2,5 ila 15,5 mikron arasında bir dalga boyu bandı boyunca % 5’ten daha azına indirgemek için IR radyasyonunu absorbe edip dağıtabileceklerini söylemektedirler.

Gizli tabaka, birbirine bağlanmış ve desenli hava kanalları ile ayrılan iki esnek poliimid substrat ile başlar. Bir katman 12 mikron uzunluğunda silikon nanoteller ve gömülü gümüş nanopartiküllerden oluşan bir ağ içerir. Diğer katman küçük ölçekli IR yayıcılardan oluşmaktadır. Neredeyse rastgele çapları ve oryantasyonları olan nanoteller, termal IR dalga cephesini önemli ölçüde dağıtırlar ve termal enerji, aşağıya iner ve poliimid tabakaları arasındaki hava kanalları vasıtasıyla cihazdan dışarı aktarılır. Bu arada, IR mikro-yayıcılar, istenirse, göze çarpan bir IR kamerayı daha fazla kandırmak ve yanlış termal modeller sunmak için kullanılabilir.

Şekil 2. Wisconsin Üniversitesi, ABD, tarafından yapılan ince “görünmez plaka”, insan ve taşıt gibi nesneleri saklamak için nanoyapılı yüzey kullanır. Ayrı bir katmandaki küçük ölçekli Kızılötesi yayıcı, Kızılötesi bir kamerada yanlış termal  model gösterimi bile yapabilir.
Görsel Kaynak: Hongrui Jiang

Bir Tankı Otokorkuluğa Çevirme

Jiang’ın takımı, termal radyasyon yayan insan ve taşıt modelleri üzerinde 1 mm kalınlığındaki görünmez plakayı test etmişlerdir. Her iki durumda da görünmez plaka, termal radyasyonu algılanamaz hale getirmiştir, Şekil 2. Ayrıca bir diğer deneyde, takım, gömülü mikroyayıcılar kullanarak termal kamera ile bi topa bakıp görüntüyü sopa şeklinde görmeyi başarmıştır.

Jiang, çalışmaya eşlik eden basın bülteninde, “Yanlış bir ısı imzası sunarak bir kızılötesi dedektörü kasten aldatabilirsiniz.” ve “Basit bir otoyol korkuluğuna benzeyen şeyleri sunarak bir tankı gizleyebilirsiniz.” demiştir.

Ekip şimdi gerçek dünyadaki uygulamalara yönelik, gizli tabakayı büyütmek için ve daha iyi bir şekilde bağlanabilirlik, aktif soğutma ve adaptif IR kamuflajını desteklemek için geri bildirim mekanizmaları üzerinde çalışmaktadır. Araştırmacılar, görünür ışıkla gizlenen ve mikrodalga gizli materyallerdeki diğer çabalarla birleştiğinde tekniğin, tüm algılanabilir elektromanyetik imzaları gizleyebilen “tamamlayıcı bir görünmezlik yöntemini” gerçekleştirebileceğine inanmaktadırlar.

Kaynak: OSA – A Nemesis for Night -Vision Cameras
Görsel Kaynak: www.acs.org