25.08.2023 • Vakuum

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.

Abb.: Künst­lerische Dar­stellung von durchs Vakuum „tunnelnden“...
Abb.: Künst­lerische Dar­stellung von durchs Vakuum „tunnelnden“ Schall­wellen. Links und rechts im Bild sind die hexa­gonalen Kristalle des piezo­elektrischen Zink­oxids erkenn­bar, der in der Studie als Schall­wandler genauer unter­sucht wurde. (Bild: Uni Jyväskylä)

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

 

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