Voor het eerst hebben wetenschappers aangetoond dat geluid wel degelijk door de leegte van een vacuüm kan reizen. Dit vereist echter wel héle specifieke omstandigheden.
‘In de ruimte kan niemand je horen schreeuwen’. Het is de bekende slogan van de film Alien die in 1979 uitkwam en talloze mensen de stuipen op het lijf joeg. De slogan was gebaseerd op het feit dat er in het heelal geen lucht is – de ruimte is een vacuüm. En geluidsgolven kunnen zich in een vacuüm niet verplaatsen. Althans… dat dachten wetenschappers altijd. Maar natuurkundigen bewijzen nu het verrassende tegendeel.
Vacuüm
Geluid plant zich door de lucht voort. In een vacuüm, een plek zonder lucht, kan geluid zich dus niet voortplanten. Al het geluid wordt namelijk veroorzaakt door trillingen. En geluidsgolven kunnen zich verplaatsen door de deeltjes van vaste stoffen, vloeistoffen en gassen. Dit is ook de reden dat geluidsgolven niet door een vacuüm reizen; ze hebben een medium nodig. Maar in de ruimte is er geen medium om geluidstrillingen door te geven. Zonder lucht valt er niets te trillen, en dus is er geen geluid.
Het kan wel!
In een nieuwe studie demonstreren natuurkundigen echter een manier waarop geluid wél door een vacuüm kan reizen. Hoe? In sommige gevallen kan een geluidsgolf volledig over een vacuümopening tussen twee vaste stoffen springen of ‘tunnelen’ als de materialen in kwestie piëzo-elektrisch zijn.
Het piëzo-elektrisch effect is het verschijnsel dat kristallen van bepaalde materialen onder invloed van druk, bijvoorbeeld door buiging, een elektrische spanning produceren en andersom: er zijn materialen die vervormen als er een elektrische spanning op wordt aangelegd. Wanneer een piëzo-elektrisch materiaal onder druk wordt gezet kan het mechanische energie omzetten in elektriciteit. Kortom, piëzo elektrische kristallen kunnen beweging omzetten in een elektrisch stroompje. En er zijn nogal wat materialen die tot dit trucje in staat zijn. Suikerriet bijvoorbeeld. Of kwarts en zelfs gedroogde botten.
Piëzo-elektrische materialen omvatten kristallen zoals toermalijn en kwarts, bepaalde soorten keramiek en polymeren, en sommige halfgeleiders zoals zinkoxide. In dergelijke materialen produceren trillingen (geluidsgolven) een elektrische respons. En aangezien een elektrisch veld wel in vacuüm kan bestaan, kan het de geluidsgolven overbrengen.
Geluidsgolf
“In sommige situaties kan een binnenkomende geluidsgolf worden omgezet in een speciale geluidsgolf die alleen op de oppervlakken van de vaste stoffen is gelokaliseerd, aan beide zijden van de opening (de gekoppelde oppervlaktegolven),” legt onderzoeker Ilari Maasilta in een interview met Scientias.nl uit. “Deze lokalisatie maakt het mogelijk dat het geluid volledig wordt overgedragen. De koppeling tussen de twee oppervlakken wordt mogelijk gemaakt door elektrische velden die in vacuüm kunnen bestaan, in tegenstelling tot de daadwerkelijke trillingen van de geluidsgolf.”
Eisen
Op deze manier kan een geluidsgolf dus toch door een vacuüm reizen. Al vereist dit wel héle specifieke omstandigheden. Allereerst komen er dus piëzo-elektrische materialen aan te pas. Een andere vereiste is dat de grootte van de opening kleiner is dan de golflengte van de geluidsgolf. Het gaat dus om extreem kleine afstanden.
Effect
Maar als er aan deze eisen wordt voldaan, is het dus mogelijk om geluidsgolven door vacuüm te laten reizen. Een wonderlijke ontdekking. Al is de methode niet altijd betrouwbaar. Tijdens experimenten werd het geluid niet voortdurend perfect overgedragen: delen van de golf werden kromgetrokken of gereflecteerd terwijl het door het elektrische veld ging. Af en toe brachten de piëzo-elektrische kristallen echter wel perfect de hele geluidsgolf over. “In de meeste gevallen is het effect klein,” vertelt Maasilta. “Maar persoonlijk vond ik het heel verrassend dat in sommige gevallen, onder de juiste omstandigheden, 100 procent van de energie toch kon worden overgedragen.”
Schreeuw in de ruimte
Betekent deze ontdekking ook dat piëzo-elektrische materialen het mogelijk zouden maken om een schreeuw in de ruimte te horen? We legden het Maasilta voor. “In principe wel,” antwoordt hij desgevraagd. “Maar enkel over een afstand van minder dan 1 meter (voor een geluidsfrequentie rond 1 kHz). Verder onderzoek zou echter moeten uitwijzen hoe luid dit klinkt. Complicerende factoren zijn hoe goed het menselijke geluid in de lucht (in het ruimtepak) kan worden omgezet naar de juiste invoermodus in het piëzo-elektrische materiaal. Maar ik betwijfel of dit technologisch relevant is voor communicatie, aangezien er al betere systemen bestaan (conversie naar daadwerkelijke elektromagnetische golven, denk aan microfoons en radio).”
Implicaties
De resultaten uit deze studie hebben in plaats daarvan mogelijk wel implicaties voor de ontwikkeling van micro-elektromechanische componenten voor verschillende technologieën, zoals smartphones. “In micro-elektromechanische componenten worden elektrische signalen soms omgezet in geluidsgolven, of worden geluidsgolven gebruikt om elektrische signalen te genereren,” legt Maasilta uit. “Vaak gebeurt dit met piëzo-elektrische materialen. Het tunnelen van deze signalen zou een interessante nieuwe manier kunnen zijn om ze tussen verschillende componenten te verzenden.” Ook bieden de bevindingen uitkomst om oververhitting van apparaten te voorkomen en temperaturen beter te reguleren. “Warmte is in feite een willekeurige verzameling geluidsgolven met hogere frequenties,” vervolgt Maasilta. “Dezelfde mechanismen kunnen werken voor warmte, bijvoorbeeld om extra koeling van apparaten mogelijk te maken. Momenteel werken we dan ook aan het hitteaspect van dit fenomeen.”
Maar dat is voor de lange termijn. Voor nu tonen de onderzoekers aan dat niets in beton gegoten is. Er kan zelfs aan fenomenen die als onwrikbaar werden gezien, getornd worden. “Geluid kan blijkbaar toch worden gemanipuleerd met behulp van een heel nieuw mechanisme,” besluit Maasilta.
