Ultraschall-Zauberstab 12.01.2015

"Wingardium Leviosa" - ein solcher Zauber wurde von Charakteren aus der Märchenserie über Harry Potter verwendet, um Objekte mit einer Welle eines Zauberstabs durch die Luft fliegen zu lassen. Aber während Autoren und Regisseure sich neue fantastische Geschichten einfallen lassen, erweckt die Wissenschaft Schritt für Schritt Dinge zum Leben, die vorher unmöglich schienen. Diesmal ging es darum, Objekte durch die Luft zu bewegen, oder Levitation. Als Levitation kann man einen solchen physikalischen Effekt bezeichnen, bei dem ein Objekt ohne sichtbaren Halt in der Luft ist oder sich bewegt. Wenn beispielsweise ein gewöhnlicher Magnet über einem supraleitenden Material platziert wird, das zuvor auf eine niedrige Temperatur abgekühlt wurde, geschieht ein „Wunder“ – der Magnet schwebt frei in der Luft in geringer Höhe. Dies liegt an dem besonderen Verhalten des Magnetfeldes in Supraleitern.

Ein solches Phänomen ist zwar sehr merkwürdig, aber für die praktische Anwendung von geringem Nutzen: Die Notwendigkeit, Magnete über einen Supraleiter zu bewegen, der auf die Temperatur von flüssigem Stickstoff abgekühlt ist, wird nicht für jeden eintreten. Ganz anders sieht es aus, wenn ein Verfahren erfunden wird, um beliebige Gegenstände berührungslos zu bewegen, unabhängig von ihrer Beschaffenheit. Eine solche Erfindung wird in den Bereichen, in denen die extreme Reinheit von Materialien wichtig ist, stark nachgefragt werden. Zum Beispiel in der Pharmazie oder Mikroelektronik: Dort kann jeder zusätzliche Kontakt mit dem Material unerwünschte Verunreinigungen hineinbringen. Physiker der Universität Sao Paulo in Brasilien haben einen Weg vorgeschlagen, um kleine Objekte nicht nur in der Luft schweben zu lassen, sondern sie auch in die richtige Richtung zu bewegen.

Um die Schwerkraft zu überwinden, nutzten die Forscher den Druck von Schallwellen. Sie können die Kraft des Klangs spüren, wenn Sie vor einem leistungsstarken Lautsprecher stehen, der mit voller Lautstärke arbeitet. Schall ist eine Schwingung, die in jedem Medium auftritt. Das können Luft, Wasser oder feste Stoffe sein. Im Weltraum gibt es keine Schallwellen, weil es kein Medium gibt, in dem sie sich ausbreiten können: Vakuum ist eine stille Leere. Physikalisch gesehen ist die Schallübertragung in der Luft die Bewegung von Hoch- und Tiefdruckgebieten. Druckschwankungen erzeugen eine Kraft, die auf mechanische Gegenstände wirken kann. So ist unser Ohr angeordnet, wo die Geräusche der Welt um uns herum durch Schwingungen des Trommelfells an das Gehirn weitergeleitet werden.

Jetzt müssen wir uns an ein weiteres Merkmal von Schwingungen erinnern - die Existenz stehender Wellen. Das einfachste Beispiel: Wenn Sie ein Ende eines langen Seils fixieren und das andere mit konstanter Frequenz auf und ab bewegen, bleiben einige Punkte des Seils bewegungslos. Die Bildung einer solchen stehenden Welle entsteht durch die Überlagerung zweier Wellen - der ursprünglichen, die durch die Bewegung des freien Seilendes entsteht, und der reflektierten Welle. Die Effekte, die entstehen, wenn sich Schallwellen überlagern, bildeten die Grundlage für das entwickelte Verfahren der Ultraschall-Levitation. Der Sender sendet Ultraschallwellen aus, die von einer entfernt liegenden Oberfläche reflektiert werden. Die abgestrahlten und reflektierten Wellen addieren sich und bilden so etwas wie einen Korridor, in dem sich Hoch- und Tiefdruckgebiete abwechseln. Fällt ein Objekt in den Bereich einer stehenden Ultraschallwelle, reicht die Energie der Wellen aus, um die Schwerkraft zu kompensieren, und wir beobachten den Effekt der Levitation.

Obwohl sich die Methode der Ultraschall-Levitation vor einigen Jahren zu entwickeln begann, war es nicht einfach, einen stabilen Halt von Objekten in der Luft zu erreichen. Lange Zeit war es nicht möglich, eine stabil stehende Ultraschallwelle mit ausreichender Leistung zu erzeugen: Eine leichte Bewegung des Senders oder Reflektors – und der Effekt verschwand. Um dieses Problem zu lösen, nutzten Marco Andrade und seine Kollegen das Prinzip der Stehwellenbildung auf Basis von Mehrfachreflexionen. Sie stellten einen speziellen konkaven Ultraschallreflektor her, mit dem sie es schafften, kleine Plastikkugeln zum Schweben zu bringen, ohne das System fein abzustimmen. Auch wenn Sie den Wellenreflektor in der Hand halten, verschwindet der Schwebeeffekt nicht – bis vor kurzem schien er unmöglich. Diese Technologie hat viel mehr Chancen für eine echte Anwendung.