Fani kultowego filmu „Obcy” wiedzą, że „w kosmosie nikt nie usłyszy twojego krzyku”. Jednak fizycy Zhuoran Geng i Ilari Maasilta z Centrum Nanonauki na Uniwersytecie Jyväskylä w Finlandii są innego zdania. Ich ostatnie badania sugerują, że w określonych warunkach dźwięk może być efektywnie przenoszony przez próżnię.
Naukowcy wykazują, że w pewnych warunkach fale dźwiękowe mogą „tunelować” przez szczelinę próżniową między dwoma ciałami stałymi, pod warunkiem, że ciała te są piezoelektryczne. Warunkiem sukcesu eksperymentu jest, aby rozmiar szczeliny dzielącej oba piezoelektryki był mniejszy niż długość fali dźwiękowej. Efekt ten działa nie tylko w zakresie częstotliwości audio (Hz-kHz), ale także w ultradźwiękach (MHz) i hiperdźwiękach (GHz), o ile szczelina próżniowa zmniejsza się wraz ze wzrostem częstotliwości.
W większości przypadków efekt jest niewielki, ale znaleźliśmy konfiguracje, w których cała energia fali przeskakuje przez próżnię ze 100% skutecznością, bez żadnych odbić. W związku z tym zjawisko to może znaleźć zastosowanie w elementach mikroelektromechanicznych oraz w kontroli przewodnictwa cieplnego - mówi profesor Ilari Maasilta z Centrum Nanonauki na Uniwersytecie w Jyväskylä.
Na rysunku: dwa kryształy piezoelektryczne oddzielone szczeliną próżniową o szerokości d. Przychodząca fala akustyczna z kryształu nr 1, pod kątem padania θi, przechodzi przez szczelinę próżniową do kryształu nr 2. Źródło: Geng i Maasilta (2023)
Materiały piezoelektryczne generują reakcję elektryczną pod wpływem naprężeń mechanicznych, w tym np. fal dźwiękowych lub wibracji. Biorąc pod uwagę, że pole elektryczne może występować w próżni, w konsekwencji próżnia może skutecznie przenosić fale dźwiękowe.
Materiały piezoelektryczne mają bardzo duże zastosowanie w astronautyce. Czujniki piezoelektryczne i siłowniki piezoelektryczne są cenione w technologiach kosmicznych ze względu na ich natychmiastowy czas reakcji i niskie zużycie energii. Inżynierowie NASA zaprojektowali np. piezoceramiczny czujnik służący do wykrywania mikrometeoroidów i śmieci kosmicznych o średnicy poniżej milimetra, których zwykle nie można śledzić na orbicie. Kiedy kosmiczne śmieci zderzają się z czujnikiem, uderzenie generuje wibracje w elemencie piezoelektrycznym. To prowadzi do generacji sygnału elektrycznego, który jest proporcjonalny do naprężenia materiału, umożliwiając czujnikowi określenie miejsca uderzenia, prędkości mikrometeoroidu i kierunku, z którego nadleciał. Wielkość ładunku elektrycznego generowanego przez uderzenie można również wykorzystać do dokładniejszego określenia cech fizycznych mikrometeoroidu, takich jak gęstość i rodzaj materiału, z jakiego był zbudowany.
Więcej informacji:
Publikacja „Complete tunneling of acoustic waves between piezoelectric crystals” Zhuoran Geng i Ilari J. Maasilta, Communications Physics 6, 178 (2023). DOI: 10.1038/s42005-023-01293-y
Opracowanie: Joanna Molenda-Żakowicz
Na ilustracji: Zamontowany na zewnątrz Międzynarodowej Stacji Kosmicznej Space Debris Sensor (SDS) zbiera informacje o małych śmieciach orbitalnych. Źródło: NASA
