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Donnerstag, 14.12.2017
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Levitator zum Selberbauen

Do-it-Yourself-Gerät zur akustischen Levitation bringt Mini-Objekte zum Schweben

Schweben wie von Geisterhand: Jeder kann nun selbst Objekte mittels Ultraschall zum Schweben bringen – ein akustischer Levitator zum Selberbauen macht es möglich. Dafür haben Forscher die normalerweise teure und hochsensible Technik so vereinfacht, dass ein paar günstige Elektronik-Bauteile und ein Gerüst aus dem 3D-Drucker ausreichen. Der Selbstbau-Levitator kann immerhin Wassertropfen, kleine Styroporbröckchen und andere kleine Objekte bis zu zwei Stunden in der Schwebe halten – ideal für Schule und Hobbyforscher.
Der Selbstbau-Levitator in Aktion: Sein Ultraschall-Feld hält kleine Objekte bis zu zwei Stunden in der Schwebe.

Der Selbstbau-Levitator in Aktion: Sein Ultraschall-Feld hält kleine Objekte bis zu zwei Stunden in der Schwebe.

Schallwellen erzeugen nicht nur Geräusche, sie können auch Objekte zum Schweben bringen. Mit dieser akustischen Levitation haben Forscher bereits Wassertropfen in der Luft gehalten, schwebende Styropor-Bröckchen manipuliert und sogar eine Art Traktorstrahl auf Ultraschall-Basis konstruiert.

Levitator "Marke Eigenbau"


Der Haken daran: Für die meisten dieser Effekte wurden bisher aufwändige Geräte benötigt, die mit Hochspannung betrieben werden müssen. "Dadurch war die Nutzung von Levitatoren bisher auf wenige Forschungslabore beschränkt", erklärt Asier Marzo von der University of Bristol. Doch das hat sich nun geändert.

Marzo und sein Team haben einen Levitator entwickelt, den Studenten oder Schüler mit einfachen Mitteln selbst herstellen können. Der "Do-it-Yourself"-Levitator ist aus einfachen Elektronikbauteilen wie einem Arduino-Mikrocontroller, handelsüblichen Abstandssensoren und einem mittels 3D-Druck gefertigten Gerüst aufgebaut. Zudem kommt er ohne Hochspannung aus.


Herzstück des Levitators sind insgesamt 72 kleine Ultraschall-Transducer, wie sie in Abstandssensoren eingesetzt werden.

Herzstück des Levitators sind insgesamt 72 kleine Ultraschall-Transducer, wie sie in Abstandssensoren eingesetzt werden.

Ultraschall-Generatoren aus Abstandssensoren


Kern des "TinyLev" sind die Ultraschall-Generatoren. Sie liegen einander gegenüber und erzeugen das Wellenfeld, das die Objekte in der Schwebe hält. Normalerweise werden dafür piezoelektrische Scheiben, gekoppelt mit sogenannten Sonotroden benötigt. Doch für ihren Selbstbau-Levitator nutzen die Forscher fertige, im Elektronikhandel erhältliche Ultraschall-Module, wie sie beispielsweise in Abstandssensoren verbaut sind.

Diese günstigen Transducer senden typischerweise Ultraschallwellen mit der Frequenz von 40 Kilohertz aus. "Damit erzeugen diese Module eine Wellenlänge von 8,5 Millimetern", so die Wissenschaftler. "Das reicht aus, um Objekte bis zu einer Größe von vier Millimetern zu levitieren – der halben Wellenlänge", wie Marzo und seine Kollegen berichten.

Schwebende Tropfen, Styropor und eine Ameise


Jeweils 36 solcher Ultraschall-Transducer werden in drei konzentrischen Ringen in die konkaven Enden des Plastikgerüsts eingesetzt und miteinander verbunden. Die konkave Anordnung sorgt dafür, dass sich die Ultraschallwellen im Zentrum des Levitators konzentrieren. Dort haben sie dann genügend Kraft, um die Objekte in der Schwebe zu halten. Gesteuert wird der Levitator mit einem Arduino, einem ebenfalls billig erhältlichen Selbstbau-Mikrokontroller.

Papier, Styropor oder ein Tintentropfen - sie alle schweben im Ultraschall-Feld des Levitators.

Papier, Styropor oder ein Tintentropfen - sie alle schweben im Ultraschall-Feld des Levitators.

"Tests mit dem Levitator zeigten, dass er einfach zu bedienen ist und stabil funktioniert", berichten die Forscher. Einmal in Gang gesetzt, kann der TinyLev kleine Styropor-Stückchen, Wassertropfen oder Zuckerstücke bis zu zwei Stunden lang in der Luft halten. Sogar eine lebende Ameise brachten die Wissenschaftler damit zum Schweben. Durch Steuerung der Ultraschallintensität lassen sich die Objekte zudem im Ultraschallfeld gezielt auf- oder abbewegen.

"Demokratisierung des Levitators"


Ein weiterer Vorteil: Im Gegensatz zur Hightech-Variante ist der Selbstbau-Levitator unempfindlich gegenüber Temperaturveränderungen und funktioniert auch bei hoher Luftfeuchtigkeit noch. "Damit können nun nicht nur Wissenschaftler, sondern auch Studenten und Schüler ihren eigenen Levitator zuhause oder in der Schule konstruieren", sagt Marzo. "Unserer Arbeit hat den akustischen Levitator sozusagen demokratisiert."

Das gleiche Forscherteam hat vor zwei Jahren bereits eine Variante des Levitators zum Selbstbauen entwickelt: den Do-it-Yourself-Traktorstrahl. (Review of Scientific Instruments, 2017; doi: 10.1063/1.4989995)
(University of Bristol, 17.08.2017 - NPO)
 
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