14.10.2019

Schall dämpfen mit phononischen Kristallen

Neuer Ansatz für die Entwicklung extrem leichter Dämmstoffe.

Kristalle können in Einweg­feuerzeugen elektrische Funken schlagen, polarisiertes Licht herstellen oder auch gebündelte Röntgen­strahlen in tausende von Einzel­reflexe zerlegen, die in alle Raumrichtungen gestreut werden. Manche dieser Eigenschaften bleiben auch dann erhalten, wenn man die atomaren Kristall­strukturen hundert­millionenfach vergrößert und die Kristalle im Großmaßstab nachbaut. Dies machen sich Physiker seit einigen Jahren zu Nutze: Wenn die Original­kristalle sehr kurzwellige Röntgen­strahlen streuen, können die vergrößerten Kopien langwellige Schwingungen in alle Richtungen streuen. Ein sehr eleganter Weg für Vibrations­dämpfung ist damit gefunden. Vergrößerte Kristall­strukturen mit solchen akustischen Eigen­schaften nennt man phononische Kristalle.

Abb.: Diese chiralen, phono­nischen Kristalle bilden die Grund­lage für...
Abb.: Diese chiralen, phono­nischen Kristalle bilden die Grund­lage für extrem leichte Dämm­stoffe. (Bild: Empa)

Andrea Bergamini und seinem Team der Abteilung Akustik – Lärmminderung des schweizerischen Forschungs­zentrums Empa ist es nun gelungen, Zusatzeigen­schaften in die Kristalle zu integrieren, die im Original nicht vorhanden sind. Die Forscher bauten kleine, drehbare Teller in die Kristall­strukturen, die in der Lage sind, Schwingungen entlang der Längsachse in Torsions­bewegungen umzusetzen. Erstmals lässt sich eine unerwünschte Schwingung nicht nur in verschiedene Raum­richtungen streuen, sondern auch in Wärme­energie umwandeln. In einem nächsten Schritt koppelten die Forscher mehrere der Drehteller im Kristall miteinander. Das geht auf zwei verschiedene Arten: entweder drehen alle Teller gemeinsam in die gleiche Richtung oder sie sind in ihren Drehrichtungen abwechselnd miteinander verbunden. Die Wirkung unterscheidet sich dramatisch: die syndio­taktische ABAB-Anordnung der Drehrichtung erzeugt eine Bandlücke in den Frequenzen. Ein breiter Bereich von Schwingungen wird also von der Drehmechanik verschluckt und nicht durch den Kristall hindurch weitergegeben. Demgegenüber erzeugt die isotaktische AAAA-Anordnung der Dreh­bewegungen neue Wellen mit ähnlicher Frequenz, die durch den Kristall weiter­gegeben werden. Ein mechanisches Bauteil mit bestimmter Geometrie bestimmt also darüber, ob der Kristall isoliert oder leitet.

Wie aber lassen sich solche Schwingungs­frequenz-Bandlücken nutzen? Inzwischen ist im Labor ein erstes Modell entstanden, das eine mögliche Funktion phononischer Kristalle zeigt: Bergamini baute ein Fenster aus zwei Plexiglas-Scheiben, in das syndio­taktische Drehteller integriert sind. Die Größe der Teller ist auf die Frequenz der menschlichen Sprache abgestimmt. Die Idee: wenn bestimmte Frequenzen aus der Sprache heraus­gefiltert werden, wird der Inhalt für Zuhörer unverständlich. Das menschliche Gehirn kann die akustischen Infor­mationen nicht mehr zu einem Sinn zusammensetzen. Erste Tests im Akustik-Labor zeigen, wieviel Potential in der Idee steckt: Man kann die sprechenden Personen deutlich sehen und auch gedämpft hören, wer gerade spricht. Doch vom gesprochenen Text ist kein einziges Wort zu verstehen.

Bergamini und seine Kollegen erwarten, dass transparente, phononische Kristalle für Architekten und Innen­architekten interessant sein könnten. Mit Hilfe dieses physikalischen Tricks lassen sich formfeste, steife Baustoffe herstellen, die Schall sehr gut isolieren und dabei bis zu hundertmal leichter sein können als andere phono­nische Isolatoren mit der gleichen Wirkung. Auch im Maschinenbau, im Flugzeug­bau und im auto­mobilen Leichtbau könnte das Heraus­filtern störender Frequenzen mit leichten Designer-Dämmstoffen bald eine große Rolle spielen.

Empa / JOL

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