Gedankenexperiment Schwingungen könnten Teppich zum Fliegen bringen

Fliegende Teppiche könnte es zumindest in einer Miniaturausführung tatsächlich geben. US-Physiker haben jetzt eine Bauanleitung dafür veröffentlicht. Schnelle Schwingungen würden den Teppich in der Luft halten - Menschen könnte er jedoch nicht tragen.

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In orientalischen Märchen schwebt der Teppich problemlos - doch in der Realität bereitet ein solches Luftfahrzeug Physikern großes Kopfzerbrechen. Am ehesten mithilfe von Magneten lassen sich Gegenstände tatsächlich zum Fliegen bringen. Doch es geht auch anders, wie US-Physiker jetzt in einem Fachaufsatz beschreiben.

Filmproduktion aus dem Jahr 1940: Reise im Reich des Magischen
Getty Images

Filmproduktion aus dem Jahr 1940: Reise im Reich des Magischen

Gelänge es, eine dünne Folie in sehr schnelle Schwingungen zu versetzen, könnte sie in der Luft schweben, weil ständig ein Druck nach unten ausgeübt würde. Menschen mit einem solchen Teppich zu befördern sei jedoch wohl nicht möglich, schränken Lakshminarayanan Mahadevan von der Harvard University in Cambridge und seine Kollegen ein. Die notwendigen Vibrationen müssten so stark und schnell sein, dass dafür ein unglaublich leistungsfähiger Motor benötigt würde, berichten sie im Fachblatt "Physical Review Letters (99, 224503).

"Aus Physiker-Sicht ist das fast trivial", sagt Michael Farle der Universität Duisburg-Essen im Gespräch mit SPIEGEL ONLINE. "Die Forscher haben sich allerdings die hydrodynamischen Gleichungen genau angeschaut. Das Prinzip ist nicht neu, es ist aber öffentlichkeitswirksam und pfiffig aufbereitet." Wenn man das Blatt dazu bringen würde, Wellenbewegungen zu vollführen, würde es tatsächlich fliegen, sofern es leicht genug sei, sagt der Duisburger Physiker. Er vergleicht das Experiment mit einer Hartgummimatte, die normalerweise im Wasser untergehen würde: "Wenn Sie wechselnden wellenförmig verteilten Druck ausüben, bleibt die Matte über Wasser."

Eigentlich hatten die Harvard-Forscher untersucht, wie sich eine flexible Folie durch eine Flüssigkeit bewegt - und dabei festgestellt, dass das gleiche Prinzip auch in der Luft funktionieren würde. In beiden Fällen könnten schnell aufeinanderfolgende Wellen, die durch die Folie laufen, einen Auftrieb erzeugen, erklären die Forscher.

Schweben klappt in der Theorie

Zu sehen ist dieser Effekt zum Beispiel dann, wenn ein dünnes Blatt Papier zu Boden flattert und dicht über der Oberfläche durch den unter dem Papier entstehenden Druck abgebremst wird. "Wenn sich Wellen entlang einer flexiblen Folie ausbreiten, generieren sie eine Strömung im umgebenden Medium, die einen Druck erzeugt, der dann die Folie hochhebt und ihr Gewicht in etwa ausgleicht", sagte Mahadevan dem Online-Nachrichtendienst Nature News.

Für den nur theoretisch untersuchten fliegenden Teppich gebe es jedoch Grenzen, erklärte Mahadevan. So müsste bereits ein Folienstück von zehn Zentimetern Länge und einer Dicke von einem Zehntel Millimeter zehnmal pro Sekunde auf und ab schwingen, um in der Luft zu bleiben. Für eine schnelle Vorwärtsbewegung wäre zudem eine große Schwingungsamplitude nötig, etwa in der Größenordnung der Länge der Folie - was, wie Mahadevan erklärt, die Fahrt auf dem Mini-Teppich sehr holprig machen würde.

Für eine tatsächliche Umsetzung des Prinzips in die Realität müsste zudem geklärt werden, wie die Schwingungen überhaupt erzeugt werden können. Denkbar wären hierbei zum einen die sogenannten smarten Materialien, die sich als Reaktion auf veränderte Außenbedingungen wie die Luftfeuchtigkeit ausdehnen oder zusammenziehen können. Zum anderen könnten flexible Kunststofffolien mit lebenden Muskelzellen beschichtet werden, die sich - gesteuert durch elektrische Impulse - regelmäßig kontrahieren und wieder entspannen.

Diamagnetismus als Alternative

Der Duisburger Physiker Farle verweist auf weitere Bedingungen, die für das Schweben erforderlich seien: "Das funktioniert nur über einer Oberfläche, also nicht in beliebigen Höhen. Nur dann kann sich ein entsprechender Druck aufbauen", erklärt er. Zudem brauche man im allgemeinen Fall eine Strömung: Entweder bewege sich das Blatt oder die Luft. Für Menschen, das zeigen nach Angaben der Harvard-Forscher die Berechnungen, bleibe eine Reise auf einem solchen Teppich im Reich des Magischen.

Ähnlich utopisch sind fliegende Teppiche auf Magnetbasis. "Wir lassen immer wieder in unseren Vorlesungen Graphitscheiben über Hartmagneten schweben", berichtete Farle. Das sei ein diamagnetischer Effekt. Diamagnetisches Material tendiert dazu, aus dem Magnetfeld herauszuwandern. Wirkt dem die Schwerkraft entgegen, schweben die Graphitscheiben.

Diese sogenannte diamagnetische Levitation erfordert jedoch extrem starke Magnetfelder. "Das Feld der Erde ist für solche Experimente zu schwach", sagt Farle. "Wenn wir ein ultraleichtes Material hätten, das eine Milliarde Mal stärker diamagnetisch ist als bekannte Materialien, dann könnte es sogar im Magnetfeld der Erde schweben."

Mit Material von ddp



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