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Der Klang der Solitonwelle

Jeder hat Wünsche. Ein Wunsch von Kommunikationsingenieuren ist, daß komplexe Lichtsignale durch Glasfaser-Kabel wandern, ohne dabei Energie zu verlieren. Um das zu erreichen, nutzen sie optische Soliton-Wellen - das sind Wellen, die lange Wege zurücklegen, ohne ihre Eigenschaften zu verändern. Bisher nahm man an, daß so etwas für Schallwellen nicht möglich sei, weil die Eigenschaften der Luft ein solches Verhalten nicht zulassen. Dennoch ist es Forschern nun zum ersten Mal gelungen, in einem Rohr akustische Soliton-Wellen zu erzeugen.
Wenn ein Hochgeschwindigkeitszug in einen Tunnel fährt, entsteht eine Schallwelle. Diese breitet sich vor dem Zug aus und wird dabei schwächer. Solitonwellen erhalten hingegen ihre Amplitude, verändern sich also bei der Wanderung nicht. Solche Wellen in Lichtleitern, also optische Solitonwellen, zu erzeugen, ist durchaus möglich, denn wegen der Dispersion bewegt sich Licht von bestimmten Frequenzen im Glasfaserkabel mit genau der "richtigen" Geschwindigkeit. Ganz anders liegt die Sache bei der Ausbreitung von Schallwellen in Luft, denn dabei ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit unabhängig von der Frequenz.

Nobumasa Sugimoto von der University of Osaka hat schon vor einigen Jahren herausgefunden, daß es günstiger wäre, in Eisenbahntunneln zusätzliche Verzweigungen anzulegen. Nach seiner Theorie würde dadurch die Entstehung von Schockwellen vermieden und statt dessen weniger harte Wellenformen entstehen. Nun stellte er fest, daß unter besseren Bedingungen als in einem Tunnel durch eine ähnlich verzweigte Struktur akustische Solitonwellen erzeugt werden können.

Diese Solitonwellen haben Sugimoto und seine Mitarbeitern in einem Stahlrohr mit 7,4 Metern Länge und acht Zentimetern Durchmesser erzeugt (Physical Review Letters vom 15. November 1999, Abstract). In einem ersten Versuch erhielten sie als Folge eines plötzlichen Druckpulses auf der einen Seite des Rohres eine einfache Schockwelle an dessen Ausgang. Daraufhin brachten sie mehr als 100 Verzweigungen an dem Rohr an, die alle in einer Lufttasche von der Größe eines Tischtennisballs endeten. Wie Sugimoto vorhergesagt hatte, riefen die Lufttaschen eine Abhängigkeit der Schallgeschwindigkeit von Frequenz hervor, und das Pulsprofil blieb konstant.

Die akustischen Schockwellen, die beim Betrieb vieler schwerer Maschinen wie zum Beispiel Kompressoren entstehen, sind äußerst lästig, erklärt Sugimoto, doch diesen Lärm abzustellen ist schwierig. Er meint, daß eine Modifikation des verzweigten Rohrsystems das Problem lösen könnte. Ebenfalls denkt er darüber nach, Rohre zu entwickeln, die Wärme und andere Energiewellen auf ähnliche Weise über weite Strecken transportieren könnten.

Jun-Ru Wu von der University of Vermont hat vor 20 Jahren versucht, akustische Solitonwellen herzustellen. Entsprechend beeindruckt ist er von der Leistung Sugimots. Allerdings kann Wu sich noch keine Anwendungsgebiete für diese Wellen vorstellen, doch er ist davon überzeugt, daß Ingenieure welche finden werden.

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