Dynamische vertikale Positionierung von Flüssigkeitstropfen in Wandler-Reflektor Schallfeldanordnung

• Antragsteller: Professor Dr. Dieter Bothe; Professor Dr. Mario Kupnik
• Fachliche Zuordnung: Messsysteme ; Mathematik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 542327521

Dieses Forschungsvorhaben adressiert die akustische Levitation von Flüssigkeitstropfen mittels Ultraschalls, da wir in unseren Vorarbeiten eine Methode entdeckt haben, mit welcher eine neuartige vertikale Positionierung von Flüssigkeitstropfen in und gegen die Richtung der Schwerkraft möglich ist. Dies ist sogar bei der einfachsten Form eines akustischen Levitators mittels Stehwellen – der sogenannten Wandler-Reflektor Anordnung – möglich. Das bedeutet, dass ein einfacher kommerziell verfügbarer Ultraschallwandler, in definiertem Abstand zu einer ebenen oder auch gekrümmten Fläche positioniert, ausreicht, um Flüssigkeitstropfen komplett berührungslos und damit steril von einer Position zu einer anderen Position zu bewegen. Dies funktioniert auch über dazwischen liegende Hindernisse hinweg. Das ist möglich, da wir in dieser Wandler-Reflektor Anordnung das zu levitierende Objekt schrittweise von der Reflektorfläche in mehr als nur den, nach aktuellem Forschungsstand üblichen, ersten Schalldruckknoten heben können, indem wir das Ansteuersignal des Ultraschallwandlers entsprechend modulieren. Während dieses Anhebe- oder auch Absenk-Vorgangs bewegt sich der Levitator nicht. Bei Polystyrolkugeln funktioniert dies bereits reproduzierbar, aber für Flüssigkeitstropfen ist es ungleich schwieriger und die Reproduzierbarkeit ist nur durch eine numerische Modellierung der auftretenden Dynamiken zu erreichen, was genau die geplante interdisziplinäre Zusammenarbeit der beiden Antragsteller (Messtechnik und Numerik) erfordert. Auf beiden Seiten sind grundlegende Forschungsfragen zu beantworten. Der Fokus liegt dabei auf dem numerischen und experimentellen Nachweis einer neuartigen, schrittweisen Bewegung eines Flüssigkeitstropfens entgegen der Richtung der Schwerkraft von einem Schalldruckknoten in einen höherliegenden Schalldruckknoten. Nur unterstützt durch die numerischen Modelle und Simulationen können die geplanten Experimente mit Flüssigkeitstropfen kontrolliert, zeitlich effizient und vorhersagbar für verschiedenste Bedingungen durchgeführt werden und die messtechnische Erfassung aller relevanten Größen wiederum erlaubt die nötige schrittweise Validierung der numerischen Modelle. Das geplante gemeinsame Forschungsvorhaben sehen wir als Chance, die Grundlagen für eine neue, vielfältige und berührungslose Manipulation von Flüssigkeitstropfen mit Potenzial für verschiedenste Anwendungen zu schaffen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen