Wellen der Zukunft

29.09.2014

In der Natur beginnen Wellen im Ozean ein lokales Pendeln im Wasser, das sich in Form von kleinen Wellen von ihrem Ausgangspunkt zunehmend ausbreitet. Aber Fans der TV-Serie "Raumschiff Enterprise" werden sich an ein anderes Wellenmuster erinnern: an den Traktorstrahl. Wenn eine solche Traktorstrahltechnologie tatsächlich existieren würde, würde sie auf Wellen basieren, die in genau die entgegengesetzte Richtung gehen, und vom äußeren Raum zurück in ihren Ausgangspunkt zusammenfließen. In der Fernsehserie würde das Raumschiff Enterprise Traktorstrahlen aussenden, genau wie ein Cowboy sein Lasso auswirft, um ein im All fliegendes Objekt einzufangen und es in das Raumschiff zu ziehen.


Prof. Gregory Falkovich aus dem Fachbereich Physik Komplexer Systeme, der mit der Forschungsgruppe von Prof. Michael Shats an der National University of Australien in Canberra zusammenarbeitet, zeigte kürzlich, dass es sich bei dieser Idee vielleicht doch gar nicht um Science-Fiction handelt.

Eigentlich geht das grundlegende Konzept zurück auf eine Forschungsstudie aus dem 19. Jahrhundert von dem englischen Physiker und Mathematiker, George Stokes, der die Physik der Wellen bis in das kleinste Detail untersuchte. Dafür setzte er kleine Kugeln in eine Flüssigkeit und beobachtete ihre Bewegung in den Flüssigkeitswellen. Die damals geltende Theorie besagte, wenn eine Welle sehr klein ist, würde ein kleine Kugel, die darauf reitet, sich nur in einem geschlossenen Kreis bewegt. Stokes entdeckte aber, dass sich der Weg der Kugel nicht in einem geschlossenen Kreis befindet. Stattdessen zeichnete sich eine nach innen führende Spirale ab. Diese Idee, die als "Stokes-Strömung" bekannt wurde, schien hauptsächlich eine theoretische Idee zu sein. Man könnte die Bedingungen dafür zwar in einem Labor schaffen, aber es wäre sehr schwierig, in der Natur Wellen zu finden, die klein genug sind, um die Stokes-Strömung zu veranschaulichen.

Falkovichs Mitarbeiter wandten sich mit Hilfe von Beobachtungstechnologien des 21. Jahrhunderts den Stokes-Experimenten zu, um die Partikel, die sich in sehr kleinen Lichtwellen bewegen, zu beobachten. Dabei entdeckten sie zu ihrer Überraschung, dass eine dreidimensionale Repräsentation des Wegs des Teilchens in etwa einem betrunkenen Man ähnelt, der sich auf dem Heimweg befindet. Aber die Forscher zeigten, dass es sich nicht um eine zufällige Bewegung handelt, sondern dass sie sich vorhersagen und sogar im vorhinein planen läßt.

Mit diesem Verständnis machten sich die Wissenschaftler an die Veranschaulichung des Prinzips durch den Einsatz von zwei kontrollierten Flüssigkeitsstrudeln. Zwischen ihnen floss eine der Wellen "rückwärts" bis zu dem Punkt, an dem das Pendeln, welches die Welle entstehen ließ, begann. Einige Wissenschaftler in der Forschungsgruppe stellen sich bereits die Schaffung von "Traktorstrahlen" im Wasser vor, die z.B. nach Piratenschiffen im Indischen Ozean auslangen und sie heranziehen. Eine bescheidenere Idee - allerdings bisher eher noch ein Zukunftstraum - wäre beispielsweise der Einsatz solcher Wellen, zur Bereinigung von Schmutz in den Ozeanen.

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