Video der Woche: Auf Schallwellen schwebend



Scheinbar wie von Geisterhand schweben die kleinen weißen Kügelchen über der Metallschale: Sie bilden eine Kette, die sich beim Bewegen der Schale mitbewegt und verbiegt – ohne dass eine Aufhängung oder ein Halter sichtbar wäre. Das Geheimnis dahinter: Die Kügelchen schweben durch die Kraft des Schalls. Dieses Prinzip der akustischen Levitation haben brasilianische Forscher nun einen Schritt weiter gebracht: Sie haben erstmals einen Levitator konstruiert, der sehr viel flexiblere Bewegungen und eine bessere Kontrolle der schwebenden Objekte ermöglicht. Diese faszinierende Technik zeigt unser Video der Woche.

Schall kann eine spürbare Kraft entfalten - das lässt sich an fast jedem größeren Lautsprecher beobachten: Legt man ihn auf den Rücken und dreht vor allem die Bässe voll auf, beginnen auf ihm platzierte Styroporstückchen oder andere leichte Objekte zu tanzen: Die durch den Schall erzeugten Vibrationen heben die Stückchen immer wieder leicht an. Noch besser funktioniert dies aber, wenn statt Musik kurzwelliger Ultraschall eingesetzt wird. Im Sommer 2013 bewiesen dies Schweizer Forscher, als sie kleine Wassertropfen in einem Schallwellenfeld 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, dass es auch anders geht. Sie haben eine Methode der akustischen Levitation entwickelt, bei der der Abstand zwischen Lautsprecher und Reflektor flexibel und fließend verändert werden kann, 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.

Kügelchen im Wellenfeld

Wie Andrade und seine Kollegen 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 einfachere Weise kontaktfrei bewegt werden als mit den bisherigen Levitatoren, wie die Forscher erklären. Ihrer Ansicht nach könnte diese Methode ein wichtiger Schritt zu praktischen 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.

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