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Samstag, 16.12.2017
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Akustische Tarnkappe macht „schallblind“

Rezept für Schallwellen-umlenkendes Material entwickelt

Tarnkappen könnte es eines Tages nicht nur für Licht oder Mikrowellen geben, sondern auch für den Schall. Forscher haben jetzt das Rezept für ein Material entwickelt, das Schallwellen so umlenkt, dass ein Objekt in dem so entstehenden „Loch im Schallraum“ verschwindet. Ihre in den „Physical Review Letters“ veröffentlichte Studie widerspricht damit auch vorherigen Annahmen, dass eine solche dreidimensionale Schall-Tarnkappe unmöglich sei.
Schallwellen

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Umlenken macht unsichtbar


Eine Tarnkappe ist im Prinzip nicht anderes, als eine Materialhülle, deren Oberfläche so beschaffen ist, dass sie das Licht um ein Objekt herumlenkt, ohne dass die Strahlen reflektiert werden. Für die Betrachter ist das von dieser Hülle umgebene Objekt unsichtbar, da sie nur Veränderungen des Lichts, sei es durch Reflexion oder Absorption, wahrnehmen. In der Natur gibt es Materialen mit diesen Eigenschaften nicht.

Der erste Schritt auf dem Weg zu einer Tarnkappe ist es daher, herauszufinden, welche atomaren und physikalischen Eigenschaften ein solches Material überhaupt besitzen muss, um diese Umlenkende Wirkung zu erzielen. Im nächsten Schritt dann geht es darum, einen Weg zu finden, dieses künstliche Metamaterial auch herzustellen.

Schall sperrt sich


Bereits 2006 entwickelten Steven Cummer, Professor für Elektronik und Computertechnik an der Duke Universität, und sein Kollege David Schurig von der Duke Universität die theoretischen Grundlagen für eine elektromagnetische Tarnkappe, die Strahlung verschiedener Wellenlängen so umleitet, dass ein von ihr bedecktes Objekt scheinbar unsichtbar wird. Wenig später folgte ein Rezept für eine Mikrowellen-Tarnkappe nach ähnlichem Prinzip.


Doch bei dem Versuch, gleiches auch für Schallwellen zu konstruieren, stießen die Forscher zunächst auf scheinbar unüberwindbare Hindernisse. Ihre erste Theorie funktionierte nur im zweidimensionalen Raum, da sie auf einer nur dort möglichen Interaktion von Schallwellen mit elektromagnetischen Wellen beruhte. Einen weiteren Rückschlag brachte eine Studie eines anderen Wissenschaftlerteams, die berichteten, dass ihrer Erkenntnis nach eine dreidimensionale akustische Tarnkappe nicht existieren kann und dies auch argumentativ belegten.

Schall-Loch im Raum


Doch Cummer war noch nicht vom Scheitern der Idee überzeugt: „Für mich sind Wellen Wellen. Ich konnte mir nicht vorstellen, dass etwas mit elektromagnetischen Wellen machbar ist, aber mit Schallwellen komplett unmöglich sein soll.“ Er begann erneut zu tüfteln, diesmal auf der Basis der Mikrowellen-Tarnkappe, die sein Team bereits zuvor entwickelt hatte. Schließlich stieß er auf die mathematischen Faktoren, die nötig waren, um die Gleichungen so anzupassen, dass seine dreidimensionale Materialhülle auch Schallwellen umleitet. Zumindest auf dem Papier hatte er damit eine funktionierende akustische Tarnkappe gefunden.

„Wir haben ein Rezept für ein akustisches Material entwickelt, dass im Prinzip ein Loch im Raum bildet, indem etwas sich vor Schallwellen verbergen könnte“, erklärt Cummer. Eine solche akustische Tarnkappe könnte beispielsweise ein U-Boot im Ozean vor der Entdeckung durch das Sonar schützen oder aber auch die Akustik eines Konzertsaals verbessern, indem sie einen störenden Balken sozusagen verschwinden lässt.

Obwohl die nun entwickelte Theorie für die akustische Tarnkappe nicht so umfassend ist wie die für die Mikrowellen-Variante, könnten die neuen Erkenntnisse dennoch einen Weg zu neuen akustischen Materialien bereiten, die beispielsweise die bisherige akustische Form eines Objekts verändern, indem sie den Schall „verbiegen“ oder konzentrieren. Zudem zeigt die Entwicklung, dass auch weitere Wellenarten, wie seismische Wellen oder Meereswellen, eines Tages durch maßgeschneiderte Materialien auf solche Weise beeinflusst werden könnten.
(Duke University, 14.01.2008 - NPO)
 
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