Elektrische Funken lassen sich mit Ultraschall gezielt durch die Luft lenken – sogar um ein Hindernis herum. In Experimenten folgten kurze Hochspannungsentladungen einem akustisch erzeugten Pfad mit millimetergenauer Kontrolle. Der entscheidende Trick ist, dass der Funke selbst die Luft verändert und Ultraschall diese wärmere, dünnere Luft in die gewünschte Richtung formt. Die Versuche fanden allerdings nur über wenige Zentimeter im Labor statt; eine Übertragung von Strom über größere Distanzen ohne Kabel wurde damit nicht demonstriert.
Ein elektrischer Funke sucht sich normalerweise einen Weg, der von den momentanen Bedingungen in der Luft abhängt. Seine Entladung verzweigt sich, springt unregelmäßig und lässt sich nur schwer auf einen bestimmten Punkt ausrichten. Ein Team um Asier Marzo von der Universidad Pública de Navarra in Spanien hat gezeigt, dass sich dieser Vorgang mit Ultraschall kontrollieren lässt. An der Arbeit waren außerdem Wissenschaftler der Universität Helsinki in Finnland und der University of Waterloo in Kanada beteiligt.
Die Studie „Electric plasma guided with ultrasonic fields“ erschien in der Fachzeitschrift Science Advances. Eine Hintergrundmeldung der Universität Helsinki erläutert die Idee ebenfalls. Die Arbeit beschreibt eine Methode, bei der Ultraschallfelder den Weg von Plasmafunken beeinflussen. Die Forscher lenkten die Entladungen zu ausgewählten Zielen und formten ihre Bahn so, dass sie an einem Hindernis vorbeiführte. Damit zeigen sie eine neue Möglichkeit, Hochspannungsfunken schnell und ohne laserbasierte Führung zu kontrollieren.
Der Mechanismus beruht auf einer Rückkopplung zwischen dem elektrischen Funken und der Luft. Eine Entladung erhitzt die Luft in ihrer Umgebung. Die erwärmte Luft dehnt sich aus und besitzt dadurch eine geringere Dichte als kühlere Luft. In diesem dünneren Bereich ist die elektrische Durchschlagspannung niedriger: Es braucht also weniger Spannung, damit sich der nächste Funke dort erneut ausbildet.
Ultraschall kann die erwärmte Luft räumlich beeinflussen. Die Forschenden erzeugten mit Ultraschallwandlern ein fokussiertes Schallfeld, das den Bereich mit heißer, dünnerer Luft in eine bestimmte Zone drängte. Weil dieser Bereich für eine weitere Entladung günstiger ist, folgte der Funke bevorzugt dem akustisch geformten Pfad. Der Schall zieht den Strom also nicht wie ein unsichtbares Seil durch die Luft. Er verändert vielmehr die Bedingungen, unter denen sich die nächste elektrische Entladung bildet.
Die Messungen stützen diese Erklärung. Mit einer Schlierenoptik, die kleine Unterschiede in der Dichte der Luft sichtbar macht, konnten die Forschenden den aufsteigenden Heißluftbereich beobachten. Ohne Ultraschall bewegte sich die warme Luft turbulent nach oben. Mit aktivem Schallfeld konzentrierte sich die Luft mit geringerer Dichte dagegen im Bereich hoher Schallintensität. Dort verliefen die folgenden Entladungen bevorzugt.
Die Versuche gingen über eine einfache gerade Linie hinaus. Die Forschenden kombinierten mehrere akustische Fokuspunkte zu einem gekrümmten Feld. Dadurch entstand ein Weg, dem der Funke um ein Hindernis herum folgen konnte, bevor er sich auf der anderen Seite fortsetzte. In einem Versuch diente ein Popcornkorn als Hindernis. Die Größenordnung der Aufbauten lag bei Zentimetern; die Abbildungen der Veröffentlichung verwenden Maßstäbe von einem Zentimeter.
Das Team steuerte die Richtung des Ultraschallfeldes auf zwei Arten. Bei der mechanischen Variante wurden Ultraschallwandler bewegt. Bei einer elektronisch kontrollierten Anordnung änderten die Forschenden, welche Elemente eines Wandlerarrays aktiv waren. So ließ sich der Fokus ohne mechanische Bewegung verschieben. Die Arbeit berichtet, dass die akustischen Felder dynamisch und innerhalb von Millisekunden angepasst werden können. Beim gezielten Ansteuern einer Anordnung aus neun Elektroden lag die höchste saubere Umschaltgeschwindigkeit bei etwa 100 Millisekunden; schnellere Wechsel waren möglich, konnten aber vorübergehend andere Elektroden treffen.
Die Formulierung „Blitze lenken“ klingt nach einem Gewitterblitz, der kilometerweit durch den Himmel umgelenkt wird. Genau das wurde nicht gezeigt. Gemeint sind kurze elektrische Funken beziehungsweise Plasmaentladungen in einer kontrollierten Laboranordnung. Die getestete Funkenstrecke betrug beispielsweise zwei Zentimeter bei einer Wechselspannungsentladung mit hoher Spannung. Die Präzision im Millimeterbereich bezieht sich auf die Kontrolle solcher kurzen Entladungen, nicht auf die Führung natürlicher Blitze oder auf Stromtransport durch die freie Atmosphäre über große Distanzen.
Auch die Behauptung, ein Land habe damit als erstes Strom ohne Kabel durch die Luft geschickt, wäre eine Übertreibung. Die Experimente zeigen, dass sich der Pfad einer elektrischen Entladung im Labor beeinflussen lässt. Sie belegen keine drahtlose Energieversorgung über größere Entfernungen. Die beteiligten Einrichtungen waren die Universidad Pública de Navarra, die Universität Helsinki und die University of Waterloo; eine Beteiligung der Universität Oulu ist in der Studie nicht angegeben.
Eine weitere Grenze betrifft die Art der Entladung. Die Forschenden konnten Wechselstromfunken lenken, nicht aber die getesteten Gleichstromfunken zuverlässig auf dieselbe Weise kontrollieren. Als mögliche Ursache nennen sie den Ionenwind, der zwischen den Elektroden entsteht. Das ist relevant, weil sich technische Anwendungen je nach Stromart und Betriebsbedingungen unterscheiden.
Schon zuvor konnten kurze Laserimpulse elektrische Entladungen führen. Dabei erzeugt der Laser einen ionisierten beziehungsweise erhitzten Weg, auf dem sich ein Funke leichter ausbreiten kann. Die Methode benötigt jedoch leistungsstarke Laser und eine präzise zeitliche Abstimmung mit der elektrischen Entladung. Ultraschall bietet einen anderen Ansatz: Die Entladung erzeugt selbst die heiße Luft, während das Schallfeld diese Luftzone formt. Das Verfahren benötigt für die Führung keinen leistungsstarken Führungslaser und ist nicht auf dessen optische Ausrichtung angewiesen.
Das bedeutet nicht, dass die Versuchsapparatur bereits ein fertiges Produkt wäre oder dass Hochspannung dadurch ungefährlich würde. Die Studie beschreibt ein kontrolliertes Experiment und mögliche Anwendungen. Die Forschenden heben insbesondere das Schalten von Hochspannung und die gezielte Behandlung von Oberflächen hervor. Für den praktischen Einsatz müssten Reichweite, Zuverlässigkeit, Sicherheit und die Anforderungen unterschiedlicher elektrischer Systeme jeweils gesondert untersucht werden.
Eine präzisere Kontrolle von Funken könnte helfen, elektrische Entladungen gezielt auf bestimmte Stellen zu richten. Die Autoren nennen Hochspannungsschalter und Plasmabehandlungen als mögliche Einsatzfelder. Im Experiment trafen geführte Funken unterschiedliche Zielmaterialien, darunter leitfähige und nichtleitfähige Oberflächen. Ohne Ultraschall war der Auftreffpunkt teils weniger zuverlässig oder wurde gar nicht erreicht; mit dem Schallfeld ließ sich die Entladung an einem vorgegebenen Punkt konzentrieren.
Die Arbeit verweist außerdem auf mögliche Anwendungen bei der gezielten Anordnung von Bakterien in Petrischalen und bei berührungslosen haptischen Displays. Solche Displays könnten künftig kurze Reize auf der Haut erzeugen, ohne dass ein Gerät direkt aufliegen muss. Das sind mögliche Entwicklungsrichtungen, keine bereits nachgewiesenen marktreifen Anwendungen. Der zentrale wissenschaftliche Fortschritt liegt zunächst darin, dass Ultraschall den Verlauf kurzer elektrischer Plasmafunken in Echtzeit beeinflussen kann.
Die Ergebnisse zeigen, dass ein akustisches Feld die heiße, weniger dichte Luft nach einer Entladung formen und damit den bevorzugten Weg nachfolgender Funken steuern kann. Die Forscher demonstrierten millimetergenaue Führung, schnelle Richtungsänderungen und eine gekrümmte Bahn um ein Hindernis. Das ist ein Laborergebnis mit klar umrissenen Bedingungen, kein Nachweis einer universellen Kontrolle von Blitzen.
Die Unterscheidung ist wichtig: Ein elektrischer Funke ist eine kurze Entladung über eine kleine Strecke; ein Blitz in einem Gewitter ist ein komplexer Vorgang mit ganz anderen Längen, Energien und atmosphärischen Bedingungen. Die Studie eröffnet eine neue Methode zur Steuerung von Laborentladungen. Ob daraus zuverlässige technische Systeme entstehen, hängt von weiteren Experimenten und den jeweiligen Anforderungen ab.
Irisarri et al., Electric plasma guided with ultrasonic fields; doi:10.1126/sciadv.adp0686
University of Helsinki, Making an invisible electric wire: Guiding electricity with sound
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