Wie man Schall durch Vakuum transportiert
Rahmenbedingungen für maximale Leistungsübertragung bestimmt.
Mit „Im Weltraum hört dich niemand schreien“ wies bereits das Motto des Films Alien auf die physikalische Gegebenheit hin, dass es zur Schallübertragung Materie braucht; und auch beliebte Schulexperimente mit unter evakuierten Glasglocken ruhiggestellten Weckern bringen dieses Wissen schon den Jüngsten bei. Nun haben Zhuoran Geng und Ilari Maasilta vom Nanowissenschaftszentrum der finnischen Universität Jyväskylä, Bedingungen gefunden, unter denen Schall verlustfrei durch einen Vakuumbereich übertragen werden kann.
Die beiden Physiker berechneten, dass eine Schallwelle in einigen Fällen einen Vakuumspalt zwischen zwei Festkörpern vollständig überspringen oder durch-„tunneln“ kann, wenn es sich bei diesen Festkörpern um piezoelektrische Materialien handelt. In solchen Materialien, wie man sie beispielsweise aus Feuerzeugen, Mikrophonen, Lautsprechern oder Quarzuhren kennt, erzeugen Materialdeformationen – hier durch Schallwellen hervorgerufen – elektromagnetische Felder, die sich im Vakuum ausbreiten können. Umgekehrt können die Piezokristalle elektromagnetische Felder wieder in mechanische Schwingungen umwanden. Voraussetzung für diesen „Schall“-Transport im Vakuum ist jedoch, dass die Größe des Spalts zwischen den Piezokristallen kleiner ist als die Wellenlänge der Schallwelle.
Das reicht zur Signalübertragung in den Weiten des Weltalls kaum aus, denn selbst nahe der Hörgrenze bei Frequenzen um 16 Hz würde der so überbrückbare Abstand unter 25 Metern liegen. Dieser Effekt funktioniert allerdings nicht nur im Audiobereich (Hz-kHz), sondern auch mit Ultraschall (MHz) und Hyperschall (GHz), wobei der Vakuumspalt mit steigender Frequenz kleiner wird, die überbrückbare Distanz für Ultraschall also unter rund 2 Zentimeter, für Hyperschall sogar unter rund 0,3 Mikrometer liegt.
„In den meisten Fällen ist der Effekt gering, aber wir haben auch Situationen gefunden, in denen die gesamte Energie der Welle mit hundertprozentiger Effizienz durch das Vakuum springt, ohne jegliche Reflexion“, sagt Professor Ilari Maasilta und erkennt Anwendungspotential für das Phänomen in mikroelektromechanischen Komponenten (MEMS, Smartphone-Technologie) sowie bei der Wärmeregulierung.
U Jyväskylä / LK
