Akustische Levitation

Bei der akustischen Levitation, die u.a. bei der Weltraumforschung unter Einfluss der Mikrogravitation im All die Durchführung materialkundlicher Experimente ermöglicht, werden kleine Proben in den Druckknoten eines stehenden Ultraschallfeldes berührungslos positioniert. Es können mit der Ultraschalllevitation beispielsweise Styroporkügelchen oder Wassertropfen zum Schweben oder kleine Proben berührungsfrei und exakt in Position gebracht werden.

Stehende Ultraschallfelder können erzeugt werden, indem der meist kreisförmigen Ultraschallquelle ein Reflektor in einem Abstand der ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge gegenübergestellt wird, und sich so eine Stehende Welle bildet. Hier herrschen Gegenden großer Schallschnelle (Knoten) und Gegenden großer Drücke (Bäuche) vor. In den Knoten dieser Welle kann man nun kleine Gegenstände „einhängen“ und durch die strömungsmechanischen Effekte der hochfrequenten Luftbewegung kehren diese auch immer wieder in das Zentrum des Knotens zurück.

Die ESA und NASA nutze diesen Effekt technisch zum ersten Mal zur Untersuchung von Kristallbildung in der Mikrogravitation, denn durch das berührungslose Positionieren der Metallkügelchen und Schmelzen in einem Schutzglas konnte der Einfluss von Gefäßwänden eliminiert werden, wodurch eine ungehinderte Untersuchung der Kristallisation und Erstarrung der Materialien möglich ist.

Im Jahr 2006 gründetet sich aus dem Team iwb die Firma Zimmermann und Schilp Handlungstechnik Gmbh die erstmalig die Technik der Ultraschallluftlager kommerziell vermarktete. Ultraschallluftlager machen sich den sogenannten Nahfeldeffekt im Ultraschallfeld zu Nutze, der entsteht wenn ein Gegenstand sehr nahe an eine Ultraschallquelle heran gebracht wird. Der Nahfeldeffekt wurde bereits von Physikern Anfang des 20. Jahrhundert entdeckt, aber bisher nie technisch genutzt. Beim Ultraschallschweißen galt er sogar als Störeffekt, da er die Annäherung an das schweißende Bauteil erschwert. Nun ist es durch die kontinuierliche Entwicklungsarbeit am iwb als auch der neuen Firma möglich, Gegenstände mit wenigen Milimetern Kantenlänge über Halbleiter und Solarzellen bis hin zu 2,5 Meter großen Glasscheiben

Schweben zu lassen und damit exakt zu transportieren, zu lagern und zu greifen. Durch die Kombination des Nahfeldeffektes mit Vakuum ist es möglich, Bautteile auch von oben zu „greifen“ (levitieren), was gezielte Anwendung in der Mikrosystemtechnik findet.

Ultraschall bezeichnet den Frequenzbereich zwischen 16 kHz (obere Hörschwelle) und 1,6 GHz. Schall mit noch höherer Frequenz wird als Hyperschall bezeichnet. Ultraschall breitet sich in Flüssigkeiten bis zu einer bestimmten Intensität dämpfungsarm aus, von einem Grenzwert an kommt es jedoch zur Bildung von Dampfblasen (Kavitation) 2, die bei ihrem Zusammenfallen extrem hohe Drücke und Temperaturen hervorrufen können. In dem Druckminima der Ultraschallschwingung kommt es zur Kavitation, die durchaus mit ihren zerstörerischen Auswirkungen in der Technik ihre Anwendung findet (Ultraschallreinigung). Aber auch in der Medizin wird sich diess Phänomen der Blasenbildung für Untersuchungen und Behandlungen zu Nutze gemacht: Hier können in die Blutbahn injizierte Mikroblasen von außen mit Ultraschall angeregt werden. Denn aus den von ihnen reflektierten Schallwellen kann besser auf die Blutströmung geschlossen werden als lediglich durch Echos der Blutkörperchen. Durch stärkere Ultraschalleinstrahlung können die Blasen auch an definierten Stellen zum Kollabieren gebracht werden, so dass ihr Inhalt, etwa ein Medikament, lokal ausgeschüttet werden kann. Wir sehen also, dass gezielte Akustikanwendungen dem Menschen unglaublich förderlich sein können.