Getarnte Wasserwellen

Mit Tarnkappen unter­schiedlichster Bauart lassen sich Schall-, Mikro- und Lichtwellen bereits wirkungsvoll abschirmen. Meist jedoch nur in einem stark begrenzten Wellenlängen­bereich. Möglich ist dies mit symmetrisch aufgebauten Meta­materialien aus filigranen Strukturen im Mikro- und Nanometerbereich. Eine weitere Wellenart nahmen nun gleich zwei Forschergruppen in China und Südkorea ins Visier. Sie entwickelten zwei verschiedene Tarnkappen­konzepte für Wasserwellen. Damit konnten Abschirmungs­effekte erstmals mit einem passiven System erreicht werden. Bisher waren aktive Elemente wie etwa Mikropumpen dazu nötig. Die Wissen­schaftler konnten auf der Basis aufwendiger Computer­simulationen beide Ansätze im Labor­experiment praktisch umgesetzen. Die möglichen Anwendungen reichen von der Mikro­fluidik und Lab-on-Chip-Systemen bis hin zu wellenfreien Liegeplätzen im Hafen.

Auf Wasser­strömungen im Mikromaßstab fokussierten sich Jae Ryoun Youn von der Seoul National University und seine Kollegen. Analog zu den symmetrisch aufgebauten Tarnkappen für elektro­magnetische Wellen konzipierten die Wissenschaftler eine winzige Tarnkappe für Wasserwellen. Nach ausgiebigen theo­retischen Abschätzungen und Berechnungen im Computer entwickelten sie ihren Tarnkappen-Bauplan, abgestimmt auf die Viskosität von Wasser: Gut 500 nur einige Mikrometer kleine Säulen ordneten sie dazu in zehn konzen­trischen Kreisen um einen abzuschirmenden Bereich an. In ersten Experimenten überprüften die Forscher, wie sich Wasserwellen inner- und außerhalb der Säulen­kreise ausbreiteten oder gedämpft wurden.

Die Versuche bestätigten die Computer­simulationen und zeigten, dass einströmende Wasserwellen sich vielfach an den Säulen­kreisen brachen. Dank des symmetrischen Aufbaus überlagerten sich die Wellen vor allem zwischen den Säulen. Bis in den inneren Bereich jedoch konnte sich keine einzige Welle ausbreiten und der Wasser­spiegel blieb dort bewegungslos. Zudem wirkten sich die Säulenringe auf die Ausbreitung der Wellen außerhalb aus: Die Wellen breiteten sich um die Säulenringe aus als ob diese überhaupt nicht vorhanden wären, die Fortpflanzung der Wellen wurde von den zahlreichen Säulen überhaupt nicht gestört. Darin liegt der wesent­liche Unterschied zu einer simplen Abschirmung mit einer starren, durch­gehenden Wand. Diese würde zwar auch Wellen vom inneren Bereich abhalten, doch parallel auch die Wellen­ausbreitung außerhalb stark beeinflussen.

Auf große Wasserwellen etwa in Häfen wirkt dagegen das Tarnkappen-Konzept von Zhenyu Wang und sein Team von der Zhejiang University in Hangzhou. Wie ihre koreanischen Kollegen simulierten auch die chinesischen Forscher in vielen Berechnungen, wie sich Wasser­wellen effektiv abschirmen ließen. Ihr Resultat: Anstelle von Säulen nutzten sie zwei lang gestreckte Stahlstrukturen, die eine abzu­schirmende Zone in der Mitte flankierten. Die Strukturen ähnelten einer doppelten Rampe, wodurch sich die Tiefe des Wassers über ihnen gezielt variieren ließ. Bewegten sich nun in einem sechzig Meter langen Versuchstank Wasser­wellen entlang dieser flankierenden Doppelrampen, verstärkte sich die Wellenbewegung an den Rändern. Doch im mittleren Bereich blieb die Wasserfläche dagegen weitestgehend wellenfrei. Diesen verblüffenden hydro­dynamischen Effekt konnten Wang und Kollegen mit einem Modellboot eindrucksvoll demonstrieren. Verant­wortlich dafür waren nach Aussage der Forscher „gefangene Zustände“ (trapped modes) analog zu ähnlichen Zuständen in optischen Meta­materialien.

Mögliche Anwendungen sehen Wang und Kollegen im Hafenbau. Bei bekannten Dimen­sionen und Wellenhöhen könnte eine im Wasser versenkte Doppelrampe die Liegeplätze für Schiffe an der Kaimauer wellenfrei halten. Das Konzept der filigranen Säulen­kreise von Jae Ryoun Youn eignet sich im Vergleich eher für winzige Flüssigkeits­ströme wie sie in Lab-on-Chip-Systemen vorkommen. Zudem halten die Forscher auch eine Anwendung für die Verringerung des Fließ­widerstands bei Schiffen für möglich. Beide Ansätze funktionieren bisher jedoch nur für gleich­mäßige Wellen­bewegungen in laminaren Strömungen.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos

• Originalveröffentlichungen
  J. Park et al.: Hydrodynamic Metamaterial Cloak for Drag-Free Flow, Phys. Rev. Lett. 123, 074502 (2019); DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.074502

  S. Zou et al.: Broadband Waveguide Cloak for Water Waves, Phys. Rev. Lett. 123, 074501 (2019); DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.074501

• Dept. of Materials Science and Engineering, Seoul National University, Seoul

• College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University, Hangzhou

JOL