Ein kleiner Gegenstand kann in fast 40 cm Entfernung von einer Schallquelle schweben.
Dieses Experiment beruht auf akustischer Levitation. Ultraschall ist für das menschliche Ohr zu hoch, übt jedoch eine Kraft auf einen Gegenstand aus und kann dessen Gewicht ausgleichen. Die Technik ermöglicht es, kleine Gegenstände in der Luft zu halten, ohne sie zu berühren. Das ist insbesondere für die Handhabung empfindlicher oder kontaminationsgefährdeter Materialien interessant.
Experimentelle Demonstration und numerische Simulation der Levitation jenseits eines Hindernisses.
(a) Simuliertes akustisches Druckfeld, das die Rekonstruktion des Strahlprofils hinter dem Hindernis zeigt.
(b) Fotografie eines ĂĽber dem Hindernis schwebenden Partikels.
Ăśblicherweise nutzt die akustische Levitation zwei Seiten: gegenĂĽberliegende Schallquellen oder eine Quelle, die auf einen Reflektor gerichtet ist. Die Wellen ĂĽberlagern sich und erzeugen Bereiche, in denen der Gegenstand gefangen bleibt. Es gibt auch einseitig arbeitende Systeme, ihre Reichweite war jedoch bislang auf wenige Zentimeter begrenzt.
Das Team der Universität Tsukuba, der Universität Bristol und von Pixie Dust Technologies hat die Methode verändert, mit der der Gegenstand gehalten wird. Statt ihn in einem Bereich mit niedrigem Schalldruck zu platzieren, hält es ihn im Zentrum eines Bereichs mit hohem Druck. Diese Konfiguration war theoretisch vorhergesagt worden, aber ihre Stabilität in drei Dimensionen war in Luft experimentell noch nicht nachgewiesen worden.
Dafür verwenden die Forschenden ein spezielles Ultraschallbündel, den sogenannten Bessel-Strahl. Sein zentraler Teil bleibt über eine vergleichsweise lange Strecke schmal und intensiv. Das Gerät verfügt über 256 kleine Sender, die mit 40 kHz arbeiten und gemeinsam angesteuert werden, um die Schallwellen im Raum zu formen.
Mit diesem System wurde eine Kugel aus expandiertem Polystyrol mit einem Durchmesser von 1,5 mm in einem Abstand zwischen 141 und 397 mm von der Quelle gehalten. Die maximale Reichweite beträgt somit fast 40 cm. Unter denselben Bedingungen erreichte eine konventionelle einseitige Technik, die zum Vergleich eingesetzt wurde, 66,7 mm – also etwa sechsmal weniger.
Die Kugel schwebt nicht nur an einem festen Punkt. Durch eine Veränderung des Strahls konnte das Team sie in allen drei Dimensionen bewegen. Die Forschenden ließen außerdem mehrere Gegenstände gleichzeitig schweben und testeten nicht kugelförmige Formen, darunter Stücke getrockneter Teeblätter und Aerogel.
Eine weitere Besonderheit besteht darin, dass sich der Strahl nach dem Auftreffen auf bestimmte Hindernisse neu formieren kann. So hielten die Forschenden Gegenstände jenseits eines Hindernisses, das in seinem Weg platziert war, in der Schwebe. Diese Eigenschaft lässt mehr freien Raum um den Arbeitsbereich als ein System, das den Gegenstand mit mehreren Quellen umgibt.
Die Versuche betreffen derzeit sehr leichte Objekte im Millimeterbereich. Die Methode könnte für automatisierte Experimente, berührungslose Manipulation oder bestimmte dreidimensionale Darstellungen eingesetzt werden. In künftigen Forschungen muss insbesondere noch geklärt werden, wie sie sich bei Gegenständen unterschiedlicher Beschaffenheit und in weniger kontrollierten Umgebungen verhält.