Schall transportiert nicht nur Geräusche oder hilft bei medizinischen Diagnosen – er kann auch Dinge schweben lassen. Die akustische Levitation nutzt den Schalldruck und spezielle Wellenmuster, um kleine Objekte in der Luft zu halten und berührungsfrei zu manipulieren. Dies ermöglicht es beispielsweise, sensible Proben schwebend zu analysieren, chemische Substanzen quasi schwerelos zu synthetisieren oder auch Mikrobauteile wie mit einem unsichtbaren Kran zu bewegen und zusammenzufügen.
Ein Ultraschallreiniger lieferte die Idee
Jetzt haben Forschende diese Technik genutzt, um berührungsfreie Transportleitungen zu konstruieren. Sie können Feststoffe, Flüssigkeiten oder Gase gezielt und kontinuierlich von A nach B leiten. „Bisherige Verfahren – darunter akustische Hologramme oder phasengesteuerte Wandler-Arrays – können nur einzelne Partikel oder kleine Cluster nacheinander transportieren. Sie eignen sich zudem nicht für Gase oder Aerosole“, erklären Dmitrii Nikolaev von der Universität Helsinki und seine Kollegen.
Die Idee zu ihrer „Schweberöhre“ kam den Forschenden bei der Entwicklung eines Ultraschall-Reinigers für Rohrleitungen. „Beim Mittagessen mit einem Kollegen sprachen wir darüber, dass es doch praktisch wäre, wenn eine Rohrleitung erst gar keine Wände hätte, an die sich Schmutz anlagern kann“, erzählt Seniorautor Ari Salmi von der Universität Helsinki. Daraufhin begann das Team, an einer auf akustischer Levitation beruhenden Rohrleitung zu arbeiten. Mit Erfolg: Ein erster Prototyp ist jetzt funktionsfähig.
Funktionsprinzip der Ultraschall-Röhre: Durch die von den Lautsprechern erzeugten akustischen Besselfelder (EBAF) entstehen konzentrische Schalldruckzonen, die im Zentrum des Rings einen Kanal bilden. Dieser dient als Transportkanal für die Substanzen. — © Nikolaev et al./ PNAS, CC-by 4.0
256 Minilautsprecher und ein Schallkanal
Die neue „Ultraschall-Röhre“ von Nikolaev und seinem Team basiert auf einem Ring aus 256 Miniatur-Lautsprechern, die Ultraschallwellen mit einer Frequenz von rund 40 Kilohertz erzeugen. Durch Anpassung der Wellenphasen und Schallintensität entstehen sogenannte langgestreckte akustische Besselfelder (EBAF) im Inneren dieses Lautsprecherrings. Diese erzeugen eine akustische Kraft, die bei richtiger Einstellung eine kanalartige Zone im Zentrum des Rings bildet. Dieser Kanal schließt die Substanzen ein und leitet sie zum gewünschten Zielort.
„Von allen Experimenten, die ich schon gesehen und durchgeführt habe, kommt dieses der Magie am nächsten“, sagt Salmi. Wie von Geisterhand bewegen sich Wassertropfen, Gase oder Siliziumkörnchen freischwebend durch die Röhre. In ihren Tests nutzten die Forschenden ein Röhrensegment mit rund zehn Zentimetern Durchmesser und acht Zentimeter Breite. Ihr Prototyp benötigt für den Levitationstransport der Substanzen rund 50 Watt Leistung – ungefähr so viel wie eine klassische Glühbirne.
Schallfelder bestimmen Form und Richtung des Transports
Je nach Beschaffenheit des „Transportguts“ sind für die Ultraschall-Leitung verschiedene Einstellungen der Ultraschallfelder nötig: „Der Transport eines Feststoffs erfordert beispielsweise eine andere Feldkonfiguration als der Transport einer Flüssigkeit oder eines Gases“, erklärt Salmi. Sogar eine elektrische Plasmaentladung konnte das Team mithilfe der Ultraschallfelder durch ihre Röhre lenken.
Variabel einstellbar ist auch die Richtung und Form des akustischen Kanals. Dadurch können Substanzen auf geradem Weg oder im Bogen geleitet werden. In ihren Tests lenkten die Forschenden damit beispielsweise Wasser oder Siliziumkörnchen abwechselnd in zwei verschiedene Behälter – ein schnelles Umschalten der Feldkonfiguration macht dies möglich. Die Ultraschallröhre kann sogar zwei Transportkanäle gleichzeitig erzeugen. In diesen können dann zwei Substanzen parallel oder überkreuz transportiert werden.
Durch Umschalten der Ultraschallfelder können die Substanzen abwechselnd in verschiedene Behälter geleitet werden. — © Nikolaev et al./ PNAS, CC-by 4.0
Vielseitig anwendbar – aber ungeeignet für Hundeohren
Nach Ansicht der Forschenden eröffnet diese Technologie verschiedenste Anwendungsmöglichkeiten. So könnten klebrige oder stark korrodierende Substanzen damit berührungsfrei durch Leitungen geschickt werden. Auch besonders sensible und reine Substanzen könnte man so ohne Risiko einer Kontamination transportieren. „Unsere Technik ermöglicht einen behälterlosen Transport und die präzise Zufuhr von Reagenzien oder Energie“, schreiben Nikolaev und sein Team.
Einen Haken gibt es allerdings: Für uns ist der Ultraschall zwar nicht hörbar, für Hunde und einige andere Tiere aber schon – und er ist laut: „Im Inneren des Geräts ist die Intensität des Ultraschalls mit dem anhaltenden Donnern von Schüssen direkt am Ohr vergleichbar“, sagt Nikolaev. „Selbst in unmittelbarer Nähe des Geräts ist es noch so laut wie ein Düsentriebwerk.“
Wenn diese Technik in Laboren oder Fertigungsstätten eingesetzt wird, muss sie daher abgeschirmt werden – oder man stellt sicher, dass keine Hunde oder anderen Tiere in der Nähe sind.
Quelle: Dmitrii Nikolaev (University of Helsinki) et al., Proceedings of the National Academy of Sciences, 2026; doi: 10.1073/pnas.2614959123
