Umleitung für Licht und Lärm

Doch der Weg bis zu praktischen Anwendungen war noch weit. 2006 zeigten der britische Physiker John Pendry und sein deutsch-britischer Kollege Ulf Leonhardt, wie sich aus einem Metamaterial eine „Tarnkappe“ konstruieren lässt. Solch ein Werkstoff macht ein Objekt unsichtbar, weil es das Licht um den Gegenstand herumleitet. Dazu stellten die Forscher den Brechungsindex des Tarnmaterials so ein, dass es für die elektromagnetische Wellen energetisch günstiger war, das Objekt zu umlaufen, als von ihm abgelenkt oder gestreut zu werden.

Allerdings: Einen Werkstoff mit homogenen Eigenschaften hatten Pendry und Leonhardt nicht angefertigt. „Das war kein Metamaterial mit einem negativen Brechungsindex“, betont Wegener, „sondern das war ein Material, in dem die beiden Forscher die Eigenschaften räumlich abgestuft so veränderten, dass sich Wellen um ein Objekt herumführen ließen.“

©Grafik: Samsung Advanced Institute of Technology

Ein echtes Metamaterial hingegen erhält man nur mithilfe einer Reihe unterschiedlicher Zellen, sogenannter Einheitszellen, die – ähnlich wie Atome oder Moleküle in einem natürlichen Kristall – periodisch zusammengesetzt sind. Das ergibt ein übergroßes künstliches Atomgitter: das Metamaterial. Um Licht um ein Objekt herumzuleiten, müssen diese Meta-Atome viel kleiner sein als die Wellenlänge des Lichts. Für sichtbares Licht mit rund 500 Nanometer Wellenlänge funktionieren solche Elemente nur, wenn sie kleiner sind als etwa 100 Nanometer – eine enorme technische Herausforderung. Bei Mikrowellen dagegen, deren Wellenlänge mehrere Zentimeter beträgt, genügen kleine U-förmige Metallringe, um ein Objekt zumindest bei bestimmten Frequenzen verbergen zu können.

Mehr Strom pro Solarzelle

Das könnte ein Weg sein, um den Wirkungsgrad von Solarzellen zu verbessern. Martin Wegener und sein Team am KIT suchten gemeinsam mit Forschern am Forschungszentrum Jülich nach einer Möglichkeit, die metallischen Kontaktflächen auf den Solarpaneelen unsichtbar zu machen. Immerhin beschatten die Kontakte zwischen vier und neun Prozent der aktiven lichtempfindlichen Fläche. Ließe sich das Licht um die Kontakte herum auf die Siliziumkristalle leiten, könnten die Solarzellen mehr elektrischen Strom liefern.

Das gelang den Forschern mit einer zusätzlichen Tarnkappen-Oberfläche aus Polymerschichten, die sie in einem „weichen“ Druckverfahren mit einem Laser auftrugen. Die Ausbeute an Solarstrom ließ sich so um sieben Prozent steigern.

Im Sommer 2021 startete das Fraunhofer-Institut für solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg eine strategische Partnerschaft mit dem niederländischen Forschungsrat AMOLF. Ziel ist es nicht nur, hocheffiziente Solarzellen auf der Basis von Metamaterialien zu fertigen, sondern auch die technischen Prozesse zu entwickeln, um sie herzustellen. 2021 gelang es den ISE-Forschern bereits, einen Weltrekord-Wirkungsgrad von 35,9 Prozent zu erreichen – mit einer Mehrfachsolarzelle aus drei unterschiedlichen Materialien und einer nanostrukturierten Schicht auf der Rückseite der Zelle.

Mit einer ähnlichen Technologie entwickelten Materialwissenschaftler um Mark Brongersma an der Stanford University kleine Displays mit bislang unerreichter Auflösung. Zusammen mit einem Team des südkoreanischen Elektronikkonzerns Samsung fertigten sie einen neuen Typ von Display aus OLED (Organischen Licht emittierenden Dioden). Damit erreichten die Forscher eine ultrahohe Auflösung von bis zu 10.000 Pixeln pro Inch (2,5 Zentimeter). Das ist ungefähr das Zwanzigfache der Pixel-Auflösung eines Smartphones der jüngsten Modellgeneration. Eine so hohe Pixeldichte kann verblüffend realistische Videos erzeugen – etwa in Headsets mit integriertem Virtual-Reality(VR)-Bildschirm, der nur wenige Zentimeter von den Augen entfernt ist. Auf die Idee dazu waren die kalifornischen Materialforscher bei der Entwicklung ultradünner Solarzellen gekommen.

„Wir haben den Umstand genutzt, dass auf der Nanoskala Licht um Objekte herumfließen kann wie Wasser“, sagt Brongersma, der von metaphotonischen OLED-Displays spricht. „Unsere Prototypen funktionieren bereits und eröffnen die Chance auf eine neue Display-Generation“, sagt der Forscher aus Stanford. Neben einer rekordverdächtig feinen Auflösung zeigen die neuartigen Bildschirme deutlich hellere Bilder und reinere Farben als alle bislang erhältlichen VR-Displays. „Durch die nanostrukturierte Oberfläche lassen sich aus weißem LED-Licht Farben erzeugen“, erläutert KIT-Experte Wegener.

Ein anderes Metamaterial hat es aufs Dach von Camping-Fahrzeugen geschafft – in Form von besonders flachen Antennen. Das Konzept dafür stammt vom kalifornischen Metamaterial-Pionier David R. Smith. Sein Ziel war es, einen guten Satellitenempfang zu erreichen – mit einer Antenne, die wesentlich flacher und kompakter ist als die bislang üblichen Parabolantennen. Smith gründete dazu die Firma Kymera. Die Empfangsrichtung der Antennen wird elektronisch eingestellt. Um ein Satellitensignal zu empfangen, sind in die Oberfläche der Antenne in regelmäßigen Abständen winzige kristalline Resonatoren integriert, die nur elektromagnetische Wellen bestimmter Frequenz empfangen und verstärken. Die Feinabstimmung besorgen Flüssigkristalle. Bewegt werden muss die Antenne nicht.

Ein wirksames Mittel gegen Lärm

Auch bei Schallwellen lassen sich mit Metamaterialien ungewöhnliche Effekte erreichen. Dabei helfen künstliche Werkstoffe, die bei bestimmten Arten von Verformung steif sind, bei anderen hingegen weich. Sogenannte vibro-akustische Metamaterialien können auf diese Art unerwünschten Lärm dämpfen – zum Beispiel in Raketen, Lärmschutzwänden, Autos oder Waschmaschinen.

Um sie zu fertigen, verwenden Ingenieure periodische Gitter aus mechanischen Resonatoren. Damit lässt sich die Ausbreitung bestimmter Wellen unterdrücken. Die Eigenschaften solcher Gitter hängen von der genauen Form der darauf angebrachten künstlichen Strukturen ab.

Automobilhersteller wie Nissan und Daimler testen bereits akustische Metamaterialien, um in der Fahrerkabine für mehr Ruhe zu sorgen. Bislang werden zur Isolierung gegen laute Geräusche meist schwere Gummimatten eingebaut. Nissans akustischer Metadämmstoff wiegt nur ein Viertel davon – bei gleich guter Lärmminderung. Sobald die Schallwellen, die vor allem vom Straßenlärm stammen, auf das Metamaterial treffen, werden sie abgelenkt oder reflektiert. Dann dringt nur noch ein kleiner Rest des Lärms ins Fahrzeug.

Um Menschen, die an Bahnstrecken wohnen, von Lärm zu entlasten, erprobt die italienische Firma Phononic Vibes – ein aus der Polytechnischen Universität Mailand ausgegründetes Start-up-Unternehmen –, wie sich Vibrationen durch Güter- oder Hochgeschwindigkeitszüge effektiv dämpfen lassen. Dabei arbeiten die Italiener mit der Deutschen Bahn zusammen. Bisher legt man Matten unter die Gleise, berichtet Phononic-Vibes-Geschäftsführer Luca dʼAlessandro. Das ist aufwendig und unterdrückt nicht einmal alle niedrigen Frequenzen. Nun testen die Italiener Schallabsorber aus einem Metamaterial, die auf dünnen und durchsichtigen Trägerwänden in flachen Gräben entlang der Gleise platziert werden. Periodische Gitter darin dämpfen den Lärm bei bestimmten Frequenzen. Künftig will sie das Unternehmen auch gegen den Krach von Haushaltsgeräten wie Waschmaschinen einsetzen.

Ein Schutzschild im Wasser

Ein Metamaterial besonderer Art könnte künftig Häfen vor Wasserwellen schützen. Gleich zwei Forschergruppen prüfen solche Anlagen im Labor. Jae Ryoun Youn von der Seoul National University und sein Team haben eine solche Tarnkappe für Wasserwellen konstruiert. Sie besteht aus mehr als 500 Säulen, die wie ein Labyrinth in zehn konzentrischen Kreisen um den zu schützenden Bereich herum angeordnet sind. Wasserwellen werden an dem Säulengitter mehrfach gebrochen. Zwischen den Säulen überlagern sie sich so, dass sie sich gegenseitig dämpfen. Außen herum breiten sie sich dagegen ungestört aus.

Zhenyu Wang und sein Team an der Zhejiang-Universität im chinesischen Hangzhou geht es vor allem um den Schutz von Liegeplätzen für Schiffe, wenn ein Sturm aufzieht. Um ein Testbecken von 60 Meter Seitenlänge abzuschirmen, haben die Forscher es mit zwei lang gestreckten Stahlkonstruktionen umstellt. Wurde das Wasser entlang dieser Strukturen bewegt, verstärkten sich die Wellen zwar an den Beckenrändern, doch dazwischen blieb die Wasseroberfläche weitgehend wellenfrei. Kleine Boote in dem Testbassin blieben auch bei einem simulierten Sturm ruhig und unbeschadet liegen.

Tiefer Blick ins All

Das Anwendungspotenzial von Metamaterialien reicht bis weit hinaus ins All. Das ist ein Forschungsthema von Stefanie Kroker an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig. Die Expertin für Nanophotonik und Nanometrologie befasst sich mit dem Entwurf von Spiegeln in Detektoren für Gravitationswellen – äußerst schwachen Schwingungen der Raumzeit, die etwa ein Zusammenstoß von Neutronensternen auslöst. Am Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (LIGO) in Hanford im US-Bundesstaat Washington sind Physiker diesen schwer zu fassenden Phänomenen auf der Spur. In den letzten Jahren konnten sie mit dem hochsensiblen Messinstrument bereits Signale von miteinander kollidierenden Neutronensternen und Schwarzen Löchern registrieren.

Die von solchen kosmischen Ereignissen ausgehenden und danach das All durchdringenden Gravitationswellen lassen sich durch winzige Längenänderungen der Arme des Interferometers nachweisen, während Laserstrahlen zwischen seinen Spiegeln hin- und herlaufen. Doch die Verzerrungen in dem Detektor sind kleiner als der Durchmesser eines Atoms. Die Spiegel in dem Interferometer müssen daher mit größter Präzision konstruiert und gefertigt werden. Je besser das gelingt, desto mehr Kollisionsereignisse können die Astronomen beobachten. Ein Problem ist das thermische Rauschen: ein Zittern der Atome, dem auch die Siliziumkristalle auf der Spiegeloberfläche ausgesetzt sind. Sie setzt der Messempfindlichkeit eine Grenze.

Für die nächste Generation von LIGO, genannt Advanced LIGO (aLIGO), hat Kroker gemeinsam mit Forscherkollegen vorgeschlagen, das thermische Rauschen mit Tricks aus der Kiste der Metamaterialien besser als bisher zu unterdrücken. Die Idee der Physikerin ist es, auf die Spiegel mit Elektronenstrahlen periodische Muster von Siliziumstrukturen aufzubringen: winzige Säulen, Würfel oder Kreuze. Deren Wirkung wäre typisch für Metamaterialien: Bei bestimmten Frequenzen – für Gravitationswellen liegen sie im Bereich von einigen Hundert Hertz – lässt sich das thermische Zittern der Kristallatome auf dem Spiegel deutlich abschwächen.

Noch ist nicht beschlossen, ob aLIGO tatsächlich damit ausgestattet wird. Aber die Aussichten auf mehr und bessere Beobachtungen von Gravitationswellen wecken Begehrlichkeiten bei den Astrophysikern. Ließe sich das thermische Rauschen in den Spiegeln auf ein Zehntel unterdrücken, würde sich die Zahl der auffindbaren kosmischen Ereignisse vervielfachen, ist Stefanie Kroker überzeugt. Dann hätten winzige Strukturen die Erforschung des Kosmos einen großen Schritt vorangebracht.