Schweben durch akustische Hologramme

Sie sind ein gängiges Thema in der Science-Fiction-Literatur. Aber auch in der realen Welt experimentieren Wissenschaftler mit den sogenannten Traktorstrahlen. Diese sind durch Licht, Schall oder in Wasser erzeugte Wellenmuster, die Objekte ohne physischen Kontakt bewegen können. Forscher aus Spanien und Großbritannien haben jetzt eine Strahlungsquelle entwickelt, die kleine Gegenstände mit Ultraschall in der Luft halten, bewegen oder rotieren lassen kann. Ihre Ergebnisse haben Sie in der Zeitschrift „Nature Communications“ veröffentlicht.

Illustration akustisches Hologramm

„Es war eine unglaubliche Erfahrung zu sehen, wie der Traktorstrahl zum ersten Mal ein Objekt in der Luft hat schweben lassen“, sagt Asier Marzo, Erstautor der Studie. Das Team um Marzo nutzte eine Strahlungsquelle aus 64 Mini-Lautsprechern, die von einer Seite aus Ultraschallwellen in Richtung der Objekte emittiert. Mit dem Aufbau konnten die Wissenschaftler drei verschiedene Formen eines akustischen Kraftfelds erzeugen, das dann als Traktorstrahlen wirkte.

Die erste Form ähnelte einem Paar Finger oder einer Pinzette, womit man die Objekte greifen konnte. Das zweite akustische Feld hatte die Form eines Strudels, der die Versuchsteilchen einfing und in sein Zentrum zog. Bei dem dritten Wellenmuster handelte es sich um eine Art Käfig, der die Gegenstände umschloss und sie durch Strahlung aus allen Richtungen am Platz hielt.

„Wir alle wissen, dass Schallwellen einen physischen Effekt haben können. Aber hier haben wir es geschafft, den Schall mit einer bisher unerreichten Präzision zu kontrollieren“, sagen die Forscher. Bei bisherigen Experimenten, Objekte mit Schallwellen frei schweben zu lassen, mussten die Objekte von den Quellen der akustischen Signale umschlossen sein. Das hat die Bewegungsmöglichkeiten beschränkt.

Im Aufbau der aktuellen Studie waren die Strahlungsquellen nebeneinander auf einer Seite platziert, allerdings in einer speziellen Anordnung. Dadurch konnten die Forscher mittels Phasenverschiebung akustische Strukturen modulieren, mit denen sie die Objekte trotzdem noch aus allen Richtungen manipulieren und schweben lassen konnten. Das akustische Feld hat dabei Eigenschaften eines Hologramms.

Das Forscherteam verspricht sich von seinem Aufbau neue Anwendungen in der Medizintechnik. So könnte solch eine einseitige Strahlungsquelle beispielsweise von außen auf die Haut gesetzt werden und dann Medikamentenkapseln oder mikroskopische Instrumente kontaktlos innerhalb des Körpers transportieren.