Woda płynie w powietrzu bez żadnej rury. Jak to możliwe?

Naukowcy z Finlandii pokazali urządzenie, które potrafi utrzymać strumień wody za pomocą odpowiednio uformowanych fal ultradźwiękowych. Co więcej, ich wynalazek nie ogranicza się wyłącznie do wody. Niewidzialny kanał może prowadzić również proszki, mgłę, gazy, a nawet wyładowania elektryczne. W przyszłości taka technologia mogłaby znaleźć zastosowanie tam, gdzie tradycyjne rury sprawiają więcej problemów, niż rozwiązują.

Za eksperymentem stoi międzynarodowy zespół kierowany przez naukowców z Uniwersytetu Helsińskiego, współpracujących z badaczami z Hiszpanii i Stanów Zjednoczonych. Skonstruowali oni urządzenie, które zamiast zwykłych ścianek wykorzystuje odpowiednio ukształtowane pole akustyczne. To ono utrzymuje przepływającą ciecz na wyznaczonej trasie.

Konstrukcja składa się z cylindrycznej obudowy, wewnątrz której rozmieszczono 256 niewielkich przetworników ultradźwiękowych. Każdy emituje fale o częstotliwości około 40 kHz, czyli znacznie wyższej od zakresu słyszalnego dla człowieka. Nadajniki otaczają strumień wody, pozostając od niego w odległości około 5 cm.

Urządzenie nie jest więc całkowicie pozbawione fizycznej konstrukcji. Istotne jest jednak to, że sama ciecz nie dotyka żadnej powierzchni podczas przepływu przez kanał. Zamiast plastikowej lub metalowej ścianki jej położenie kontrolują ultradźwięki.

Zespół kierowany przez Dmitrija Nikolaeva i Ariego Salmiego pokazał, że fale akustyczne można wykorzystać nie tylko do utrzymywania pojedynczych obiektów w powietrzu, lecz również do ciągłego prowadzenia przemieszczającej się materii.

Zasada działania opiera się na zjawisku oddziaływania fal dźwiękowych z materią. Choć na co dzień nie odczuwamy mechanicznego działania dźwięku, to fale akustyczne przenoszą energię i mogą wywierać niewielkie siły na przedmioty. Odpowiednio silne ultradźwięki pozwalają nawet utrzymywać lekkie obiekty w powietrzu, przeciwdziałając grawitacji.

Jak pisaliśmy już przy okazji eksperymentu, w którym naukowcy utrzymali przedmiot niemal 40 cm od źródła ultradźwięków, kluczowe jest precyzyjne sterowanie wieloma nadajnikami. Każdy z nich emituje falę, a ich wzajemne nakładanie się pozwala stworzyć obszary, w których przedmioty mogą pozostawać stabilnie zawieszone.

W fińskim urządzeniu wykorzystano specjalnie ukształtowane pola akustyczne przypominające wydłużone wiązki Bessela. Ich charakterystyczną cechą jest możliwość zachowania odpowiedniego rozkładu energii na określonym odcinku. W tym przypadku fale tworzą coś w rodzaju niewidzialnego tunelu, który ogranicza przemieszczanie się materii poza wyznaczony tor.

Najważniejsza różnica polega jednak na tym, że nie chodzi już tylko o pojedynczą kulkę czy kroplę pozostającą w jednym miejscu. Naukowcy pokazali możliwość utrzymania płynącego strumienia, który zachowuje się tak, jakby znajdował się wewnątrz prawdziwej rury. Nie potrzebuje jednak kontaktu z żadną ścianką, by zachować właściwy kierunek.

Standardowo używana instalacja wymaga odpowiednio ułożonych przewodów, kolanek i zaworów. Jeśli chcemy zmienić trasę przepływu, musimy zmodyfikować jej fizyczny układ. W przypadku nowej technologii wystarczy zmiana sygnałów sterujących przetwornikami ultradźwiękowymi.

Pozwala to odpowiednio zakrzywiać pole akustyczne, a tym samym zmieniać kierunek prowadzenia cieczy. Naukowcy mogą więc przeprogramować trasę przepływu bez wymieniania elementów konstrukcyjnych. System umożliwia również dozowanie materiału z dokładnością do pojedynczych kropli.

Pamiętajmy, że w wielu procesach technologicznych liczy się nie tylko przemieszczanie substancji, lecz także możliwość precyzyjnego kontrolowania jej ilości. Tradycyjne rozwiązania wykorzystują w tym celu pompy, zawory i specjalistyczne dozowniki, a każdy dodatkowy element może wymagać czyszczenia lub konserwacji.

Nowe urządzenie nie eliminuje oczywiście całkowicie potrzeby stosowania wszystkich tych rozwiązań. Pokazuje jednak możliwość sterowania samą trasą przepływu bez mechanicznego przestawiania przewodu. To naprawdę szczególnie interesująca cecha z punktu widzenia zautomatyzowanych laboratoriów.

Możliwości urządzenia znacząco wykraczają tylko poza sam transport cieczy. Naukowcy pokazali, że odpowiednio zmodyfikowane pole akustyczne może prowadzić również inne rodzaje materii. W demonstracjach wykorzystano m.in. proszek i mgłę, a badacze wskazują także na możliwość sterowania przepływem gazów.

Wystarczy więc tylko wrzucić dowolną substancję do urządzenia, by zaczęła przemieszczać się w pożądanym kierunku? No nie do końca, ponieważ materiały o różnych właściwościach wymagają odmiennej konfiguracji pola akustycznego. Inaczej zachowuje się zwarty strumień cieczy, inaczej drobne cząstki ciała stałego, a jeszcze inaczej gaz.

Bardzo ciekawa jest natomiast możliwość prowadzenia wyładowań elektrycznych. Zespół zademonstrował, że utworzony przez ultradźwięki kanał może wpływać na trasę, wzdłuż której przebiega wyładowanie. To zupełnie inne zastosowanie, niż transport wody, pokazujące, że odpowiednio przygotowane pole akustyczne potrafi oddziaływać na rozmaite zjawiska fizyczne.

Warto przypomnieć, że wcześniejsze eksperymenty z lewitacją akustyczną pozwalały już manipulować kroplami wody i innymi drobnymi obiektami nawet w pobliżu przeszkód. Fińska konstrukcja rozwija tę koncepcję w innym kierunku. Zamiast jedynie przesuwać wyizolowane obiekty, próbuje stworzyć bezkontaktowy odpowiednik przewodu transportowego.

Inspiracją dla całego przedsięwzięcia był naprawdę z pozoru prozaiczny problem. Zespół Ariego Salmiego pracował wcześniej nad urządzeniem wykorzystującym ultradźwięki do czyszczenia wewnętrznych powierzchni rur. Podczas rozmowy z jednym ze współpracowników pojawiła się myśl, że jeszcze lepiej byłoby wyeliminować powierzchnię, do której może przywierać brud.

Salmi wrócił do tego pomysłu podczas spaceru z psem, około 4 lata przed ukończeniem obecnego prototypu. Wtedy narodziła się koncepcja zastąpienia fizycznych ścianek odpowiednio uformowanym polem ultradźwiękowym.

Takie rozwiązanie mogłoby przydać się przy przesyłaniu agresywnych chemikaliów, lepkich substancji oraz materiałów wymagających bardzo wysokiej czystości. W zwykłych instalacjach ciecz kontaktuje się z powierzchnią przewodu, co stwarza ryzyko osadzania się zanieczyszczeń lub pozostawania resztek poprzednio transportowanych substancji.

Brak kontaktu ze ściankami ogranicza jedno z potencjalnych źródeł zanieczyszczeń. Nie oznacza jednak, że materiał staje się automatycznie sterylny. Wciąż pozostaje kontakt z otaczającym powietrzem, a przy szczególnie wymagających procesach konieczne mogą być dodatkowe zabezpieczenia.

Na razie urządzenie pozostaje jedynie niewielkim prototypem laboratoryjnym. Aktywny odcinek ultradźwiękowej rury ma zaledwie 8 cm długości, czyli mniej niż średnica całej konstrukcji. To wystarcza do zademonstrowania zasady działania, ale zdecydowanie za mało, aby mówić o gotowym zamienniku przemysłowych rurociągów.

Pobór mocy takiego modułu wynosi około 50 W, czyli mniej więcej tyle, ile zużywa tradycyjna żarówka. Według twórców kolejne moduły można byłoby ustawiać jeden za drugim, wydłużając w ten sposób kanał transportowy. Nie przedstawiono jednak jeszcze wyników potwierdzających działanie instalacji o długości wielu metrów.

Przeczytaj także:

Pozostaje również kwestia intensywności samych ultradźwięków. Chociaż człowiek nie słyszy częstotliwości 40 kHz, pole akustyczne wewnątrz urządzenia jest bardzo silne. Naukowcy porównują jego intensywność do hałasu generowanego przez wystrzały lub silnik odrzutowy, z zastrzeżeniem, że mówimy o częstotliwościach niesłyszalnych dla ludzi. Dźwięki te mogą być natomiast odbierane przez niektóre zwierzęta.

*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI