Materialforschung Tarnkappe macht Objekte für Ultraschall unsichtbar

Erneuter Fortschritt in der Tarnkappen-Technologie: Eine ringförmige Metallstruktur macht größere Objekte für Ultraschallwellen unsichtbar. Die Erfindung dürfte Militärs brennend interessieren - aber auch Mediziner und Ingenieure.

L. Brian Stauffer

Es wäre der Traum eines jeden U-Boot-Kommandanten: einfach einen Metallring um das eigene Gefährt legen, und schon ist es für das Sonar anderer Schiffe unsichtbar. Im kleineren Maßstab ist das US-Forschern jetzt gelungen: Das Team um Nicholas Fang von der University of Illinois in Urbana-Champaign hat eine Tarnvorrichtung gebaut, die Gegenstände im Ultraschall-Bereich verschwinden lässt. "Wir sprechen hier nicht über Science Fiction", sagte Fang. Seinem Team sei es gelungen, Schallwellen zu kontrollieren und um Objekte herum zu lenken. "Das ist sicher nicht irgendein Trick, mit dem Harry Potter spielen würde."

Sogenannte Metamaterialien, die Schall- oder Lichtwellen um Gegenstände herum lenken und sie so für den Beobachter unsichtbar erscheinen lassen, sind schon seit Jahren theoretisch möglich. Die praktische Umsetzung aber ist enorm schwierig. Eine der größten Herausforderungen ist es, eine Tarnkappe in einem breiten Wellenspektrum funktionieren zu lassen - was etwa die Voraussetzung dafür wäre, dreidimensionale Objekte eines Tages auch für das menschliche Auge unsichtbar zu machen. Bisher aber haben Forscher hauptsächlich mit Tarnvorrichtungen experimentiert, deren Struktur genau auf eine bestimmte Wellenlänge ausgerichtet war.

Unsichtbar in breitem Wellenbereich

Die Tarnkappe von Fang und seinen Kollegen kann mehr, wie die Forscher in einem Beitrag schreiben, der demnächst im Fachblatt "Physical Review Letters" erscheinen soll. Die Vorrichtung ermögliche akustische Unsichtbarkeit im Ultraschallbereich zwischen 40 und 80 Kilohertz. Bei gezielten Veränderungen an der Struktur seien theoretisch noch breitete Spektren möglich, betont Fang.

Die Wissenschaftler testeten ihre ringförmigen Tarnkappe, die im Durchmesser etwa zehn Zentimeter groß ist, in einem Experiment: Sie steckten einen Stahlzylinder in ein Wasserbad zwischen eine Ultraschallquelle und Sensoren. Als sie den Ring um den Zylinder legten, konnten sie nach eigenen Angaben beobachten, wie das stählerne Objekt auf dem Sonar-Bildschirm verschwand. "Dieser Effekt ist nicht auf eine Wellenlänge beschränkt", sagt Fang. "Das ist keine Tarnvorrichtung, die sichtbar wird, sobald man die Frequenz leicht verändert."

Die Tarnkappe besteht aus 16 konzentrischen Ringen, die auftreffende Schallwellen lenken. Jeder Ring hat einen anderen Refraktionsindex: Die Schallwellen verändern ihre Geschwindigkeit auf ihrem Weg von den äußeren zu den inneren Ringen. "Wir haben hier eine Reihe von Hohlräumen, die über Kanäle miteinander verbunden sind", erklärt Fang. "Der Schall breitet sich durch die Kanäle aus und wird in den Hohlräumen abgebremst."

Je weiter die Wellen in den Ring eindringen, desto schneller werden sie. Da höheres Tempo mehr Energie benötigt, wandern die Schallwellen entlang der äußeren Ringe, gelenkt durch die Kanäle. Dadurch fließt der Schall um die Tarnvorrichtung herum wie Wasser, das in einem Bach einen Stein umströmt. Nach Angaben der Forscher ist es egal, was man im Innern des Rings versteckt. "Die Struktur des Objekts spielt keine Rolle", sagt Fang. "Der Effekt ist immer ähnlich."

Militärische und medizinische Anwendungen denkbar

Als nächstes wollen die Wissenschaftler herausfinden, wie ihre Technologie praktisch nutzbar sein könnte. Militärische Anwendungen liegen auf der Hand, aber Fang und seine Kollegen nennen auch die Schalldämmung und die Medizin als mögliche Einsatzgebiete. Bei bildgebenden Verfahren etwa löse Vieles im menschlichen Körper Interferenzen aus, die durch Metamaterial-Bandagen bekämpft werden könnten.

Eine weitere Möglichkeit sei der Einsatz gegen bestimmte akustische Phänomene. Die sogenannte Kavitation etwa - das Entstehen und Implodieren von Blasen - ist ein Problem für Objekte, die sich im Wasser schnell bewegen, wie etwa U-Boote. Auch Wasserturbinen können durch Kavitation schwer beschädigt werden. Fangs Team glaubt, dass ihre Erfindung hier Abhilfe schaffen könnte.

Der Metallring ähnelt übrigens verdächtig einer ähnlichen Vorrichtung, die Forscher im September 2008 vorgestellt hatten: Sie könnte Ölbohrplattformen oder kleine Inseln vor der Gewalt der Wellen schützen.

mbe



insgesamt 16 Beiträge
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Seite 1
maxmehr2008 07.01.2011
1. Mal ...
Zitat von sysopErneuter Fortschritt in der Tarnkappen-Technologie: Eine ringförmige Metallstruktur macht größere Objekte für Ultraschallwellen unsichtbar. Die Erfindung dürfte Militärs brennend interessieren - aber auch Mediziner und Ingenieure. http://www.spiegel.de/wissenschaft/technik/0,1518,738172,00.html
... wieder ein Forum, das fast null Sinn macht. Was soll man denn dazu sagen außer "coole Sache" :) ?!
MAsh1987 07.01.2011
2. Doch Doch
Zitat von maxmehr2008... wieder ein Forum, das fast null Sinn macht. Was soll man denn dazu sagen außer "coole Sache" :) ?!
Hm na mir ist zum Bispiel in den Sinn gekommen, dass die erwähnte Kavitation, welche man mit diesem Ding angeblich verhindern soll (also später) glaube gar nicht damit geht. Die hier beschriebene Tarnkappe funktioniert für el. mag. Wellen, die Kaviation wird aber durch Druckunterschiede im Wasser hervorgerufen. Das sind quasi Schallwellen im Wasser. Hört sich ähnlich an, ist es auch, aber die Unterschiede sind groß genug, dass ich meine Zweifel hab.
solaris_fan 07.01.2011
3. Gleiches prinzip hatten wir schon 1944 für U-Boote
http://de.wikipedia.org/wiki/U_480
daedalus80 07.01.2011
4. Wasserturbinen?
Mir ist nicht ganz klar, wie das jetzt bei Wasserturbinen, Pumpen oder UBoot-Propellern zum Einsatz kommen soll. Man muss zwischen Strömungskavitation und akustischer Kavitation unterscheiden. Laut Wikipedia: "Kavitation ist die Bildung und Auflösung von Hohlräumen in Flüssigkeiten durch Druckschwankungen. Man unterscheidet zwei Grenzfälle, zwischen denen es viele Übergangsformen gibt. Bei der Dampfkavitation oder harten Kavitation enthalten die Hohlräume hauptsächlich Dampf der umgebenden Flüssigkeit. Solche Hohlräume fallen unter Einwirkung des äußeren Drucks per Blasenimplosion zusammen (mikroskopischer Dampfschlag)..." Das kann zur Beschädigung von Wasserturbinen oder Pumpen führen. Kavitation hat nur in dem Sinne etwas mit Ultraschall zu tun, in dem es in den Druckminima der Schwingung zur Kavitation kommt. Es muss somit eine Ultraschallquelle geben. Da hilft diese Erfindung zum Umleiten von Schallwellen bei Wasserturbinen herzlich wenig, denn da kommt es zur Strömungskavitation.
arne_zbl 07.01.2011
5. Aber...
Zitat von MAsh1987Hm na mir ist zum Bispiel in den Sinn gekommen, dass die erwähnte Kavitation, welche man mit diesem Ding angeblich verhindern soll (also später) glaube gar nicht damit geht. Die hier beschriebene Tarnkappe funktioniert für el. mag. Wellen, die Kaviation wird aber durch Druckunterschiede im Wasser hervorgerufen. Das sind quasi Schallwellen im Wasser. Hört sich ähnlich an, ist es auch, aber die Unterschiede sind groß genug, dass ich meine Zweifel hab.
Wo sehen sie da die großen Unterschiede? Diese Erfindung lenkt Schallwellen um einen Gegenstand herum. Wenn nun diese Schallwellen - wo Sie ja durchaus Recht haben - nicht mehr auf die Schiffsschraube treffen, entsteht dort doch auch kein Schaden mehr. Eine andere Frage ist natürlich wie dieses Material dem Druck der implodierenden Gasblasen standhält.
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