Hoch fokussierte Schallpulse könnten als akustische Operationsinstrumente oder Ingenieurswerkzeuge dienen

Akustische Linse

Pasadena (USA) - Schall-Kugeln, akustische Schüsse - so beschreiben US-Forscher eine neue Methode, die intensive akustische Pulse erzeugt, deutlich klarer und tiefer als heutige Ultraschalltechnik. Die Druckwellen entstammen einem Prinzip, das als "Newton-Schaukel" auf Manager-Schreibtischen steht: Eine Reihe hängender, einander berührender Kugeln, die Druck scheinbar unbewegt von einer zur nächsten weitergeben, bis die letzte zur Seite fliegt. Vergleichbar funktioniert die nichtlineare akustische Linse der Forscher, die zunächst nur hatten zeigen wollen, dass sich auf diese Weise hochfokussierte Druckwellenpakete erzeugen lassen, welche Luft, Flüssigkeiten und auch Festkörper durchdringen. Nun zeigt sich, dass die Methode eines Tages tatsächlich in Medizin und Technik zum Durchleuchten dienen könnte, bis hin zum Beschuss von Tumoren. Allerdings liegen praktische Anwendungen noch etliche Entwicklungsjahre in der Zukunft, berichtet das Team im Fachblatt "Proceedings of the National Academy of Sciences" (PNAS).

"Dies hat das Potenzial, Anwendungen von medizinischer Bildgebung und Therapie bis zur nicht-destruktiven Bewertung von Materialien und Ingenieur-Systemen zu revolutionieren", erklärt Chiara Daraio, Professorin für Aeronautik und Angewandter Physik am California Institute of Technology (Caltech). Gemeinsam mit ihrem Postdoc Alessandro Spadoni hatte sie 21 parallele Ketten aus je 21 Edelstahlkugeln mit 9,5 Millimetern Durchmesser dicht beieinander aufgehängt - ihre so genannte akustische Linse. Doch während bei einer Newton-Schaukel alle Kugeln nur in einer Dimension schwingen können, konstruierten die Forscher eine 2D-Variante - und das Prinzip der Linse macht eine Ausbreitung des Impulses auch ins Dreidimensionale möglich. Wird an einer Seite per Schlag ein Druckpuls erzeugt, so entstehen innerhalb jeder Kette nichtlineare Wellen, berichtet Daraio: "Die Ketten sind die einfachste Darstellung hoch nichtlinearer Wellenleiter, die die Eigenschaften von Teilchenkontakten nutzen, um die Formen der wandernden akustischen Signale und die Geschwindigkeit ihrer Fortpflanzung zu formen und kompakte akustische Pulse entstehen lassen, so genannte Solitärwellen".

Wenn eine Reihe solcher Wellen aus dem Kettenfeld aus und in ein angrenzendes Material - ob Gas, Flüssigkeit oder Festköper - tritt, so überlagern sie sich dort an einem Fokuspunkt und bilden die "Schallkugel", ein kompaktes Schallwellenpaket hoher Amplitude, ein so genanntes Soliton. Dessen Amplitude, Größe und Ursprungsort konnte das Team kontrolliert verändern, indem sie die Ketten etwa dichter zueinander zogen. Durch Variieren der System-Parameter erreichte es sogar eine Art Schnellfeuer-Abfolge ihrer Schall-Kugeln. "Unsere Linse eröffnet die Möglichkeit, kompakte Signale hoher Amplitude in einem linearen Medium zu erzeugen und erlaubt uns außerdem, den Ort des Fokuspunktes dynamisch zu kontrollieren", so Daraio. Eine Veränderung der Systemgeometrie oder ein Austausch einzelner Teile sei nicht nötig, um den Fokus der Linse zu verschieben - anders als bei heutigen Ultraschalluntersuchungen.

Fernziel der Entwicklung ist also beispielsweise eine Art Tiefenskalpell, bei dem die Schallpulse erkranktes Gewebe tief im Körper zerstören könnten. Aber auch Flugzeugflügel, Bahnräder oder Brücken ließen sich auf versteckte Innenschäden untersuchen – deutlich akkurater und mehrere Größenordnungen intensiver als bisher.