Un team di scienziati della Rice University ha risolto un problema di vecchia data nel campo della termografia, rendendo possibile catturare immagini nitide di oggetti attraverso finestre calde. Le applicazioni di imaging in una serie di campi, ad esempio sicurezza, sorveglianza, ricerca industriale e diagnostica, potrebbero trarre vantaggio dai risultati della ricerca, riportati sulla rivista Ingegneria delle comunicazioni.
“Supponiamo che tu voglia utilizzare la termografia per monitorare le reazioni chimiche in una camera di reattore ad alta temperatura”, ha detto Gururaj Naik, professore associato di ingegneria elettrica e informatica alla Rice e autore corrispondente dello studio. “Il problema che dovresti affrontare è che la radiazione termica emessa dalla finestra stessa sovrasta la telecamera, oscurando la vista degli oggetti dall’altra parte.”
Una possibile soluzione potrebbe comportare il rivestimento della finestra con un materiale che sopprima l’emissione di luce termica verso la telecamera, ma ciò renderebbe anche la finestra opaca. Per aggirare questo problema, i ricercatori hanno sviluppato un rivestimento che si basa su un’asimmetria ingegnerizzata per filtrare il rumore termico di una finestra calda, raddoppiando il contrasto dell’immagine termica rispetto ai metodi convenzionali.
Il nucleo di questa svolta risiede nella progettazione di risonatori su scala nanometrica, che funzionano come diapason in miniatura che intrappolano e potenziano le onde elettromagnetiche all’interno di frequenze specifiche. I risonatori sono realizzati in silicio e organizzati in una disposizione precisa che consente un controllo preciso su come la finestra emette e trasmette la radiazione termica.
“La domanda interessante per noi era se sarebbe stato possibile sopprimere l’emissione termica della finestra verso la telecamera mantenendo una buona trasmissione dal lato dell’oggetto da visualizzare”, ha detto Naik. “La teoria dell’informazione impone un ‘no’ per una risposta in qualsiasi sistema passivo. Tuttavia, esiste una scappatoia: in realtà, la fotocamera funziona con una larghezza di banda finita. Abbiamo approfittato di questa scappatoia e creato un rivestimento che sopprime l’emissione termica da dalla finestra verso la telecamera in una banda larga, ma diminuisce solo la trasmissione dall’oggetto ripreso in una banda stretta.”
Ciò è stato ottenuto progettando un metamateriale composto da due strati di diversi tipi di risonatori separati da uno strato distanziatore. Il design consente al rivestimento di sopprimere le emissioni termiche dirette verso la telecamera pur rimanendo sufficientemente trasparente da catturare la radiazione termica dagli oggetti dietro la finestra.
“La nostra soluzione al problema si ispira alla meccanica quantistica e all’ottica non hermitiana”, ha affermato Ciril Samuel Prasad, ex studente del dottorato in ingegneria della Rice e primo autore dello studio.
Il risultato è una metafinestra asimmetrica rivoluzionaria in grado di ottenere immagini termiche nitide a temperature fino a 873 K (circa 600 C).
Le implicazioni di questa svolta sono significative. Un’applicazione immediata è nella lavorazione chimica, dove il monitoraggio delle reazioni all’interno di camere ad alta temperatura è fondamentale. Al di là degli usi industriali, questo approccio potrebbe rivoluzionare l’imaging termico iperspettrale affrontando l’antico “effetto Narciso”, in cui le emissioni termiche della fotocamera stessa interferiscono con l’imaging. I ricercatori immaginano applicazioni nel risparmio energetico, nel raffreddamento radiativo e persino nei sistemi di difesa, dove l’imaging termico accurato è essenziale.
“Si tratta di un’innovazione dirompente”, hanno osservato i ricercatori. “Non solo abbiamo risolto un problema di vecchia data, ma abbiamo aperto nuove porte all’imaging in condizioni estreme. L’uso di metasuperfici e risonatori come strumenti di progettazione trasformerà probabilmente molti campi oltre l’imaging termico, dalla raccolta di energia alle tecnologie di rilevamento avanzate.”
Anche Henry Everitt, scienziato senior presso il Laboratorio di ricerca dell’esercito degli Stati Uniti e docente aggiunto alla Rice, è un autore dello studio.
La ricerca è stata supportata dall’Ufficio di ricerca dell’esercito degli Stati Uniti in base all’accordo di cooperazione numero W911NF2120031.
Da un’altra testata giornalistica. news de www.sciencedaily.com
