Cientistas testam capa de invisibilidade térmica 3D que oculta objetos de câmeras infravermelhas e protege contra temperaturas extremas.
Uma estrutura produzida com impressão 3D permitiu que cientistas escondessem objetos tridimensionais de câmeras infravermelhas sem comprometer a distribuição de temperatura ao redor deles. O dispositivo, desenvolvido e testado por pesquisadores da Universidade de Illinois Urbana-Champaign, nos Estados Unidos, em colaboração com a Universidade Técnica da Dinamarca, funciona desviando o calor externo da região protegida, independentemente da direção do fluxo térmico.
A tecnologia representa um avanço na criação de uma capa de invisibilidade térmica capaz de atuar em três dimensões. Publicado na revista Nature Communications, o estudo apresenta resultados experimentais que combinam camuflagem infravermelha e proteção contra variações de temperatura vindas do ambiente externo.
Experimentos demonstraram camuflagem térmica em objetos de formatos complexos
Entre os resultados obtidos pelos cientistas está a capacidade de esconder geometrias tridimensionais detalhadas, incluindo estruturas com características semelhantes às de cabeças humanas. Essa demonstração permitiu avaliar o funcionamento da tecnologia em formatos mais difíceis de acomodar do que superfícies planas.
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Para verificar o desempenho da estrutura, os pesquisadores estabeleceram uma diferença de temperatura entre duas regiões, provocando a circulação de calor pelo ambiente experimental. Uma câmera infravermelha registrou a distribuição térmica enquanto o dispositivo permanecia submetido a essas condições.
As imagens mostraram que a presença da área protegida praticamente não modificava o padrão de temperatura observado externamente. Dentro da estrutura, os valores permaneceram uniformes, demonstrando que a camuflagem também conseguia reduzir a influência das condições térmicas externas sobre o espaço oculto.
Por que esconder objetos em três dimensões era um desafio para os pesquisadores?
O principal obstáculo enfrentado pelos cientistas estava na maneira como o calor se movimenta. Experimentos anteriores dependiam de uma direção específica de propagação ou conseguiam modificar o fluxo térmico apenas em duas dimensões, limitando os formatos que poderiam ser ocultados.
A nova capa de invisibilidade utiliza uma abordagem diferente. Em vez de interromper a transferência de calor, ela estabelece caminhos pelos quais a energia térmica pode passar sem atravessar diretamente a região que se pretende proteger.
Com isso, o calor contorna o espaço interno e continua sua propagação pelo material circundante. O efeito reduz as alterações que denunciariam a presença de um objeto na imagem infravermelha, mesmo quando a direção de incidência do calor muda.
Essa característica tridimensional e omnidirecional é o diferencial apresentado pela equipe, que conseguiu demonstrar experimentalmente uma combinação de desempenho térmico e liberdade geométrica não alcançada pelos dispositivos anteriores descritos na pesquisa.
B , D. Distribuições experimentais de temperatura sob calor aplicado vertical e horizontalmente, nas superfícies frontal e traseira;
C , E. Perfis de temperatura experimentais da seção transversal e suas contrapartes numéricas sob calor aplicado vertical e horizontalmente.
Fonte: Li, W., Wang, Y., Sigmund, O. et al..
Impressão 3D e dois materiais com propriedades diferentes viabilizaram a estrutura
A solução encontrada envolve uma arquitetura reticular cujas características podem ser ajustadas de forma independente em três direções. Essa flexibilidade permite modificar a capacidade de condução térmica em diferentes partes do dispositivo, aproximando seu comportamento das propriedades necessárias para a camuflagem.
Na fabricação, os cientistas empregaram impressão 3D metálica para construir uma rede de alumínio. O metal oferece trajetórias favoráveis à transferência de calor, enquanto um segundo material, semelhante à borracha e com baixa condutividade térmica, ocupa os espaços entre essas estruturas.
O preenchimento foi realizado por moldagem por injeção. Ao reunir materiais com comportamentos térmicos distintos, os pesquisadores conseguiram produzir uma peça capaz de orientar a passagem de calor conforme a geometria estabelecida no projeto.
O desenvolvimento teve como fundamento princípios da termótica de transformação, utilizados para estudar o direcionamento de calor por materiais especialmente projetados. A estrutura resultante ampliou as possibilidades de controle térmico em comparação com as soluções experimentais anteriores.
Capa de invisibilidade térmica pode ter aplicações em eletrônicos e sistemas de segurança
Embora os resultados tenham sido obtidos em ambiente experimental, os pesquisadores identificam possibilidades de utilização em setores que dependem de controle preciso de temperatura.
Uma delas envolve componentes eletrônicos sensíveis ao aquecimento. O direcionamento do fluxo térmico poderia contribuir para melhorar a gestão de calor em microchips e proteger equipamentos submetidos a condições de temperatura desfavoráveis.
Outra possibilidade está relacionada à segurança e à defesa. Versões futuras poderiam dificultar a identificação térmica de determinados equipamentos ou pessoas por sistemas infravermelhos, aproveitando a capacidade de modificar a distribuição de calor ao redor da região protegida.
Essas aplicações, entretanto, ainda são perspectivas de desenvolvimento. Os testes apresentados demonstram a camuflagem diante de fluxos externos de calor, sem comprovar que o dispositivo atual consiga ocultar qualquer fonte térmica em todas as condições de funcionamento.
Ocultar objetos que produzem o próprio calor é o próximo desafio
Apesar do avanço, a capa de invisibilidade térmica ainda apresenta uma limitação importante: o sistema foi desenvolvido para administrar o calor proveniente do ambiente, e não aquele produzido pelo próprio objeto escondido.
Para superar essa barreira, a equipe pretende investigar materiais capazes de atuar diretamente sobre a energia térmica gerada dentro da região protegida. Isso exigiria mecanismos que permitissem concentrar, distribuir ou direcionar o calor de forma ativa, acompanhando possíveis mudanças nas condições de operação.
O trabalho foi conduzido pela professora Shelly Zhang, pelo pesquisador de pós-doutorado Weichen Li e pelo estudante de pós-graduação Yibo Wang, da Universidade de Illinois Urbana-Champaign, em colaboração com o professor Ole Sigmund, da Universidade Técnica da Dinamarca.
A pesquisa recebeu financiamento da National Science Foundation, da Fundação Villum e do Air Force Office of Scientific Research.
O resultado atual demonstra a possibilidade de proteger uma região e reduzir sua identificação por imagens térmicas em três dimensões. A próxima etapa será ampliar esse controle para situações em que o próprio objeto oculto também interfere na distribuição de calor.
