Forskere har skabt en fascinerende infrarød sensor, der fuldstændig efterligner slangens unikke evne til at opfange byttets kropsvarme i buldermørke. Dette nye teknologiske vidunder leverer knivskarpe billeder i 4K-opløsning og kræver i modsætning til traditionelt udstyr overhovedet intet komplekst kølesystem. I en overskuelig fremtid kan denne innovation meget vel blive en standardfunktion i vores almindelige mobiltelefoner.
I et tæt samarbejde har eksperter fra Beijing Institute of Technology og Changchun Institute of Optics udviklet en banebrydende prototype. De har med stor succes kombineret kvanteprikker af kviksølvtellurid med specielle fosforescerende iridiumforbindelser. Da det smarte design er hundrede procent kompatibelt med de eksisterende produktionslinjer for CMOS-chips, er vejen allerede banet for en billig masseproduktion.
Visse slangearter er udstyret med et formidabelt nattesyn i form af små gruber mellem øjne og næsebor, som lynhurtigt opfanger selv de mindst tænkelige temperaturforskelle. Når varmestrålingen rammer slangens tynde membraner, opstår der en mild opvarmning, som hjernen med det samme omdanner til et detaljeret termisk billede. Forskerholdet har nu formået at kopiere præcis denne geniale biologiske mekanisme til en mikrochip.
Sådan forvandles naturvidenskab til avanceret elektronik
I stedet for levende organisk væv har holdet benyttet ultratynde halvledermaterialer til at opfange varmen. Denne nyskabende struktur oversætter først den usynlige infrarøde påvirkning til elektriske impulser, hvorefter de konverteres direkte til lys. Denne digitale version af slangens biologiske varmegrube registrerer omgivelsernes temperaturer helt passivt, hvilket danner et utroligt præcist oversigtsbillede.
Den helt store gevinst ligger i, at opfindelsen opererer problemfrit ved ganske almindelig stuetemperatur. Tykkelsen på de aktive lag måles i nanometer. Kvanteprikkerne, der udgør kernen i systemet, gør det muligt at registrere bølgelængder på helt op til 4,5 mikrometer – hvilket pudsigt nok er præcis det spektrum, hvor en bilmotor eller en menneskekrop udsender den kraftigste varmesignatur.
Hvorfor traditionelle termokameraer kræver voldsom køling
Historisk set har termisk kameraudstyr altid kæmpet massivt med såkaldt mørkestrøm. Det er kort fortalt elektronisk støj, der opstår helt af sig selv, blot fordi selve kameraets sensor bliver varm under driften. For at bekæmpe denne støj har branchen hidtil været afhængig af store, dyre og tunge køleenheder for at fryse komponenterne ned. Det problem har de to asiatiske institutter nu løst permanent.
Løsningen bestod i at placere en ekstremt effektiv barriere af zinkoxid og polymeren P3HT mellem kvanteprikkerne og det bagvedliggende kredsløb. Dette snedige lag fungerer som et filter, der effektivt udvisker den uønskede støj fra selve den varme elektronik, mens den ægte infrarøde stråling fra omgivelserne ubesværet får lov at passere.
Det næste teknologiske greb er næsten endnu mere fascinerende. I stedet for bare at lede strømmen videre til en computerchip, har forskerne indsat et tyndt, lysende lag indeholdende iridium. Dette kemiske lag forvandler øjeblikkeligt den elektriske strøm til et stabilt grønt lys. Det er netop dette klare lys, som en standard CMOS-matrix til sidst fanger. Sensoren virker dermed som en tolk, der gør usynlig varme til synlige lysbølger.
- Ultratynde kvanteprikker af kviksølvtellurid fanger varmestråling op til 4,5 mikrometer.
- En specialdesignet barriere af zinkoxid og P3HT-polymer eliminerer støjende mørkestrøm.
- Det fosforescerende iridiumlag konverterer de elektriske signaler til skarpe grønne lysglimt.
- Et helt klassisk CMOS-kamera optager derefter lysbilledet i fuld 4K-opløsning.
- Hele mekanismen fungerer uden problemer ved stuetemperatur uden nogen form for aktiv køling.
Enestående ydeevne i komplet mørke
Det er lykkedes skaberne at fremtvinge en foton-til-foton konverteringseffektivitet, der sniger sig op over imponerende 6 procent i det nærinfrarøde spektrum. Når teknologien parres med en avanceret billedsensor på hele 3840 × 2160 pixels, repræsenterer det et gigantisk og uset kvalitetsløft for termisk fotografering. Tidligere var denne ekstreme detaljegrad strengt reserveret til det absolut dyreste militærudstyr.
Under strenge laboratorietests opfangede prototypen tydelige og brugbare billeder, selv når signalerne udefra var ubeskriveligt svage. Kontrolmålingerne viste en fremragende lysstyrke på cirka 6388 cd/m² for SWIR (kortbølget infrarød) og 1311 cd/m² for MWIR (mellembølget infrarød). Det dynamiske område – altså balancen mellem lys og mørke – overbeviste også stort med henholdsvis 38 dB og 33 dB.
Disse tal betyder i praksis, at enheden kan betragte en glødende udstødning og en iskold vinterbaggrund på nøjagtig samme tid uden at miste de små detaljer. Følsomheden rækker i øvrigt helt ned til 10⁻¹⁰ watt per kvadratcentimeter, hvilket rent faktisk svarer til intensiteten af det svage stjernelys, der rammer jordens overflade midt om natten.
Her vil teknologien gøre en massiv forskel
Når et kamera pludselig kan kigge ubesværet igennem tæt tåge, tung brandrøg og totalt fravær af lys, skaber det en revolution for en række store brancher. I første omgang forventes det industrielle segment at tage teknologien til sig, så mekanikere lynhurtigt kan spotte overophedede komponenter i store fabriksmaskiner uden at skulle adskille dem først.
Inden for fremtidens landbrug vil landmænd kunne svæve en drone over deres marker og bruge temperaturforskelle i bladenes overflader til at identificere vandmangel eller aggressive plantesygdomme, længe før øjet kan se skaderne. Samtidig vil den medicinske verden få et genialt og let tilgængeligt værktøj til hurtigt at lokalisere farlige betændelsestilstande og dårlig blodcirkulation hos patienter.
- Præcis fejlsøgning af alt for varme komponenter på fabrikker og komplekse maskinrum.
- Dybdegående overvågning af sarte afgrøder for at sikre høsten mod sygdomsudbrud.
- Streng kvalitetskontrol af den ubrudte kølekæde i den globale fødevaretransport.
- Sikker og pålidelig nattenavigering for selvkørende biler og fremtidige trafiksystemer.
- Hurtig medicinsk screening, der straks afslører alvorlige inflammationer under huden.
- Uvurderlig hjælp til redningsmandskab, der leder desperat efter overlevende i tyk brandrøg.
- Avanceret bygningsinspektion, der med et knips lokaliserer boligens dyreste varmetab.
Termisk superkraft direkte i din smartphone
Da delene kan printes lynhurtigt på de fabrikker, der allerede laver kamerachips i dag, forventer eksperterne, at denne teknologi snart rammer det brede forbrugermarked. Din næste telefon vil dermed få en markant opgradering, som potentielt kan forandre, hvordan vi fotograferer i mørke, da optikken vil trække på omgivende kropsvarme i stedet for udelukkende at stole på en skarp og irriterende LED-blitz.
Den almindelige husejer vil kunne rette sin smartphone mod vægge og lister for straks at se, hvor vinterkulden trænger ind, og hvor varmeregningen forsvinder ud. Bilister vil ligeledes kunne have telefonen stående i bilens forrude som en dedikeret assistent, der udsender kraftige advarsler, når et rådyr eller en cyklist gemmer sig i mørket længere fremme på vejen.
Naturligvis medfører denne "slangesans" i lommen også et par nye udfordringer. Kameraer, der opfanger varmesignaturer, kan i visse tilfælde kigge igennem bestemte lette materialer, hvilket uvægerligt vil afføde en større debat om vores privatliv og lovgivningen på området. Producenterne skal desuden sikre, at det ikke skaber varmeophobning i selve telefonen.
Men når teknologien for alvor udrulles, og kunstig intelligens begynder at analysere de varmebilleder, din mobil skyder, ændres alt. Telefonkameraet forvandles med et trylleslag fra et simpelt legetøj til sociale medier til et utroligt kraftfuldt, analytisk værktøj. Vi står på tærsklen til en tid, hvor naturens ældste jagtmetoder smelter sammen med vores nyeste teknologi.
