Fiński wynalazek prowadzi wodę bez rury - za sprawą dźwięku

Zespół badaczy z Finlandii zaprezentował konstrukcję, w której strumień wody płynie bez kontaktu z jakąkolwiek fizyczną powierzchnią - utrzymuje go odpowiednio uformowane pole akustyczne. Co istotne, technologia ta sprawdza się nie tylko przy transporcie wody. Niewidzialny kanał potrafi prowadzić także proszki, mgłę, gazy, a nawet wyładowania elektryczne. W przyszłości rozwiązanie to może zastąpić tradycyjne instalacje rurowe wszędzie tam, gdzie generują one więcej kłopotów niż korzyści.

256 głośników tworzy rurę, której nie widać

Za projektem stoi międzynarodowa grupa naukowców, której przewodzą badacze z Uniwersytetu Helsińskiego, działający wspólnie z partnerami z Hiszpanii i Stanów Zjednoczonych. Opracowali oni urządzenie, w którym funkcję ścianek przewodu przejmuje odpowiednio ukształtowane pole akustyczne - to ono wyznacza tor przepływającej cieczy.

W skład konstrukcji wchodzi cylindryczna obudowa mieszcząca 256 niewielkich przetworników ultradźwiękowych. Każdy z nich wysyła fale o częstotliwości rzędu 40 kHz, a więc znacznie powyżej granicy słyszalności dla ludzkiego ucha. Nadajniki otaczają strumień cieczy, zachowując od niego dystans około 5 cm.

Urządzenie nie jest zatem pozbawione fizycznych elementów jako takich. Kluczowe jest jednak to, że sama ciecz w trakcie przepływu nie styka się z żadną powierzchnią - jej pozycję w kanale wyznaczają wyłącznie ultradźwięki, a nie plastikowa czy metalowa rura.

Badacze Dmitrij Nikolaev i Ari Salmi, kierujący zespołem, udowodnili, że fale akustyczne można stosować nie tylko do zawieszania pojedynczych przedmiotów w powietrzu, ale też do nieprzerwanego prowadzenia przemieszczającej się substancji.

Dźwięk w roli ścianek rury

Mechanizm działania opiera się na zjawisku wzajemnego oddziaływania fal dźwiękowych z materią. Choć na co dzień nie zauważamy mechanicznego wpływu dźwięku na otoczenie, fale akustyczne niosą ze sobą energię zdolną wywierać niewielkie siły na obiekty. Odpowiednio mocne ultradźwięki umożliwiają nawet zawieszanie lekkich przedmiotów w powietrzu wbrew sile grawitacji.

Podobnie jak w opisywanym wcześniej eksperymencie, w którym przedmiot utrzymano w powietrzu niemal 40 cm od źródła ultradźwięków, decydujące znaczenie ma precyzyjne sterowanie dużą liczbą nadajników. Każdy z nich generuje falę, a ich wzajemne nakładanie się pozwala wytworzyć strefy, w których przedmioty mogą pozostawać stabilnie zawieszone.

W fińskiej konstrukcji zastosowano specjalnie wyprofilowane pola akustyczne, przypominające wydłużone wiązki Bessela. Ich cechą charakterystyczną jest utrzymywanie właściwego rozkładu energii na konkretnym odcinku. Dzięki temu fale tworzą rodzaj niewidzialnego tunelu, który nie pozwala materii wydostać się poza wyznaczoną trasę.

Najistotniejsza nowość polega jednak na tym, że nie mówimy już o pojedynczej kropli czy kulce zawieszonej w jednym punkcie. Naukowcom udało się utrzymać płynący strumień, który zachowuje się jak płyn wewnątrz prawdziwej rury - mimo że nie dotyka żadnej ścianki, zachowuje stały kierunek.

Trasa przepływu może się zakrzywiać bez żadnej ingerencji fizycznej

Klasyczna instalacja hydrauliczna wymaga odpowiednio poprowadzonych rur, kolanek i zaworów - zmiana trasy przepływu oznacza konieczność przebudowy całego układu. W nowej technologii wystarczy natomiast zmienić sygnały sterujące przetwornikami ultradźwiękowymi.

Dzięki temu można dowolnie zakrzywiać pole akustyczne, a wraz z nim kierunek prowadzenia cieczy. Naukowcy są w stanie przeprogramować trasę przepływu bez wymiany jakichkolwiek elementów konstrukcyjnych. System pozwala też dozować substancję z dokładnością do pojedynczych kropli.

Warto pamiętać, że w licznych procesach technologicznych liczy się nie tylko samo przemieszczanie substancji, ale również precyzyjna kontrola jej ilości. W tradycyjnych rozwiązaniach służą do tego pompy, zawory i dozowniki, a każdy dodatkowy element to kolejna rzecz wymagająca czyszczenia czy serwisowania.

Nowe urządzenie nie eliminuje całkowicie potrzeby stosowania takich komponentów. Pokazuje jednak, że samą trasę przepływu da się kontrolować bez mechanicznego przestawiania przewodu, co może mieć szczególne znaczenie dla zautomatyzowanych laboratoriów.

Proszek i wyładowanie elektryczne też przeszły przez niewidzialny kanał

Zastosowania urządzenia wykraczają daleko poza transport samej cieczy. Naukowcy wykazali, że odpowiednio zmodyfikowane pole akustyczne potrafi prowadzić również inne rodzaje materii. Podczas demonstracji przetestowano między innymi proszek i mgłę, a badacze zwracają uwagę, że możliwe jest także sterowanie przepływem gazów.

Nie oznacza to jednak, że dowolną substancję można po prostu wrzucić do urządzenia i liczyć na automatyczny transport we właściwym kierunku. Materiały o odmiennych właściwościach wymagają innej konfiguracji pola akustycznego - zwarty strumień cieczy zachowuje się inaczej niż drobne cząstki ciała stałego, a te z kolei inaczej niż gaz.

Szczególnie intrygująca okazuje się możliwość kierowania wyładowaniami elektrycznymi. Zespół pokazał, że kanał utworzony przez ultradźwięki jest w stanie wpływać na trasę przebiegu wyładowania. To zupełnie odmienne zastosowanie od transportu wody, dowodzące, że właściwie przygotowane pole akustyczne oddziałuje na wiele różnych zjawisk fizycznych.

Wcześniejsze eksperymenty z lewitacją akustyczną umożliwiały już manipulowanie kroplami wody i drobnymi obiektami, nawet w sąsiedztwie przeszkód. Fińscy badacze rozwinęli tę ideę w nowym kierunku - zamiast przesuwać pojedyncze, odizolowane obiekty, stworzyli bezkontaktowy odpowiednik przewodu transportowego.

Pomysł zrodził się z problemu brudnych rur

Impulsem do rozpoczęcia prac był z pozoru przyziemny problem. Zespół Ariego Salmiego zajmował się wcześniej urządzeniem wykorzystującym ultradźwięki do czyszczenia wnętrza rur. W trakcie rozmowy z jednym ze współpracowników padła myśl, że jeszcze skuteczniejsze byłoby całkowite wyeliminowanie powierzchni, do której może przywierać brud.

Salmi powrócił do tej koncepcji podczas spaceru z psem, mniej więcej cztery lata przed ukończeniem obecnego prototypu. Wtedy właśnie narodził się pomysł zastąpienia fizycznych ścianek odpowiednio uformowanym polem ultradźwiękowym.

Takie podejście mogłoby znaleźć zastosowanie przy przesyłaniu agresywnych chemikaliów, substancji lepkich oraz materiałów wymagających bardzo wysokiej czystości. W standardowych instalacjach ciecz styka się z powierzchnią przewodu, co grozi osadzaniem się zanieczyszczeń lub pozostawaniem resztek wcześniej transportowanych substancji.

Eliminacja kontaktu ze ściankami ogranicza jedno z potencjalnych źródeł zanieczyszczeń, choć nie sprawia automatycznie, że materiał staje się sterylny. Substancja wciąż styka się z otaczającym powietrzem, więc przy wyjątkowo wymagających procesach konieczne może okazać się zastosowanie dodatkowych zabezpieczeń.

Osiem centymetrów długości i 50 W poboru mocy

Obecnie urządzenie to jedynie niewielki prototyp laboratoryjny. Aktywny odcinek ultradźwiękowej rury liczy zaledwie 8 cm, czyli mniej niż wynosi średnica samej konstrukcji. Wystarcza to do zademonstrowania zasady działania, ale zdecydowanie za mało, by mówić o gotowym zamienniku przemysłowych rurociągów.

Moduł pobiera około 50 W mocy, co odpowiada mniej więcej zużyciu tradycyjnej żarówki. Twórcy zakładają, że kolejne moduły dałoby się ustawiać jeden za drugim, wydłużając w ten sposób cały kanał transportowy. Na razie jednak nie zaprezentowano wyników, które potwierdzałyby działanie instalacji o długości wielu metrów.

Otwarta pozostaje również kwestia intensywności samych ultradźwięków. Choć człowiek nie słyszy częstotliwości 40 kHz, pole akustyczne wewnątrz urządzenia jest bardzo silne - naukowcy porównują jego natężenie do hałasu towarzyszącego wystrzałom lub pracy silnika odrzutowego, zastrzegając, że chodzi o częstotliwości niesłyszalne dla ludzi. Dźwięki te mogą być natomiast wyczuwalne dla niektórych zwierząt.