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Samstag, 01.10.2016
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Schall lässt Kügelchen schweben

Neue Methode der akustischen Levitation erlaubt erstmals flexible Bewegungen

Geisterhafte Levitation: Scheinbar wie von Geisterhand schweben kleine weiße Kügelchen über einer hin- und herbewegten Metallschale. Das Geheimnis dahinter ist die akustische Levitation. Die Kügelchen schweben durch Ultraschallwellen. Brasilianische Forscher haben einen verblüffend simplen Levitator konstruiert, der flexible und kontrollierte Bewegungen der schwebenden Objekte ermöglicht. Er könnte in der Pharmazie, der Chemie oder auch als Spielzeug genutzt werden.

Ultraschallwellen lassen diese beiden Styropor-Bröckchen schweben


Schall kann Objekte zum Schweben bringen, das bewiesen im Sommer 2013 Schweizer Forscher, als sie kleine Wassertropfen in einem Ultraschall-Wellenfeld schweben ließen und sogar bewegten. Der Trick dahinter: Lautsprecher und Reflektoren sind in einem speziellen Abstand positioniert, der eine stehende Welle zwischen ihnen entstehen lässt. Diese Wellen zusammen ergeben ein akustisches Feld, dessen Kraft ausreicht, um bei kleineren Objekten die Schwerkraft zu überwinden.

Eine Levitation ohne diese Wellen-Resonanz galt jedoch bisher als unmöglich – entspricht der Abstand zwischen Lautsprecher und Reflektor nicht genau der halben Wellenlänge des Schalls oder einem Vielfachen davon, bricht die stehende Welle zusammen und das Objekt stürzt ab. Marco Andrade von der Universität Sao Paulo und seine Kollegen belegen nun jedoch, dass es auch anders geht.

Eine stehende Welle hält die kleinen Kügelchen in der Luft.

Eine stehende Welle hält die kleinen Kügelchen in der Luft.

Stabiles Schweben auch in Bewegung


Bei ihrer Methode der akustischen Levitation kann der Abstand zwischen Lautsprecher und Reflektor flexibel und fließend verändert werden, ohne dass das schwebende Objekt abstürzt. "In unserem nicht-resonanten Levitator wird die stehende Welle durch die Überlagerung zweier Wellen gebildet: die emittierte und die erste reflektierte Welle", erklärt Andrade. Die Interferenz zwischen diesen beiden Wellen erzeugt Druckknoten nahe der stark eingewölbten Reflektor-Oberfläche, die ein kleines Objekt zum Schweben bringen können.


In ihrem Experiment brachten die Forscher so eine ganze Kette von übereinander liegenden Styropor-Kügelchen zum Schweben. Wie sie dabei demonstrierten, kann der Reflektor hin und her und auch auf- und abwärts bewegt werden, ohne dass die Kügelchen abstürzen oder seitlich aus dem akustischen Feld herausfallen. Selbst eine gebogene Kette aus schwebenden Kügelchen lässt sich so erzeugen – und kleine Objekte können so auf sehr viel einfacherer Weise kontaktfrei bewegt werden als mit den bisherigen Levitatoren, wie die Forscher erklären.

Anwendung in der Pharmazie oder als Kinderspielzeug


Ihrer Ansicht nach könnte diese Methode ein wichtiger Schritt zu konkreten Anwendungen dieser Technologie sein: "Moderne Fabriken nutzen hunderte von Robotern, um Teile von einem Ort an den anderen zu bringen", so Andrade. Mit einem akustischen Levitator wäre dies sogar völlig kontaktfrei möglich. Nützlich könnte dies beispielsweise in der Pharmaindustrie sein, um chemisch sensible oder sterile Stoffe zu bewegen oder in der Chemie, um gefährliche Substanzen berührungsfrei zu transportieren. Selbst neuartige Kinderspielzeuge kann sich der Forscher vorstellen.

Bisher allerdings kann der akustische Levitator nur leichte Partikel von rund drei Millimetern Durchmesser zum Schweben bringen. Andrade und seine Kollegen arbeiten aber bereits daran, ihn leistungsfähiger zu machen. "Der nächste Schritt ist es nun, das Gerät so zu verbessern, dass es auch schwerere Materialien in der Schwebe halten kann", so der Forscher. (Applied Physics Letters, 2014; doi: 10.1063/1.4905130)
(American Institute of Physics (AIP), 07.01.2015 - NPO)
 
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