Vonken sturen met geluidsgolven: een nieuwe manier om elektriciteit te beheersen

Stel je voor dat je braille in de lucht kunt voelen — subtiele trillingen die informatie overbrengen zonder dat je iets hoeft aan te raken. Of dat je een elektrische vonk kunt sturen, alsof je een laserstraal bestuurt – maar dan met geluid. Dit klinkt misschien als iets uit een futuristische film, maar wetenschappers van de Universiteit van Helsinki en hun partners hebben ontdekt dat ultrasone velden elektrische ontladingen kunnen sturen. Deze geluidsgolven leiden vonken langs onzichtbare paden, ontwijken obstakels en laten ze precies inslaan waar je wilt. Zelfs materialen die normaal geen elektriciteit geleiden, worden zo bereikt. Dit opent de deur naar nieuwe toepassingen in zowel de industriële als medische sector.

De werking van elektrische vonken

Een elektrische vonk is een kleine flits van elektriciteit die in deze situatie door een kleine hoeveelheid geïoniseerde of geladen lucht stroomt. Deze geladen lucht vormt plasma — een bijzondere vorm van materie naast vast, vloeibaar en gas. Vonken komen we vaak tegen bij bliksem, maar worden ook in tal van andere toepassingen gebruikt, zoals lassen, in motoren en zelfs voor het doden van bacteriën.

Het beheersen van deze vonken is echter lastig omdat ze meestal automatisch de kortste weg naar een metalen voorwerp zoeken. Dit maakt het moeilijk om ze toe te passen waar precisie vereist is.

De fysica achter geluidsgolven

Geluid ontstaat wanneer iets trilt en die trillingen zich door een medium, zoals lucht, water of zelfs vaste stoffen, verspreiden. Stel je voor dat je een steen in een vijver gooit – de rimpels die zich over het water verspreiden, zijn vergelijkbaar met geluidsgolven die zich door de lucht bewegen. Maar in plaats van watergolven, gaat het bij geluid om drukgolven die zich door lucht, water of zelfs vaste stoffen verplaatsen.

Wanneer iets trilt, zoals de snaar van een gitaar, duwt het deeltjes in het omringende medium opzij. Wanneer een voorwerp trilt, zoals de snaar van een gitaar, duwt het deeltjes in de lucht opzij, die op hun beurt andere deeltjes in beweging zetten. Op deze manier ontstaat een kettingreactie waarbij de energie zich voortplant in de vorm van een geluidsgolf. In lucht, vloeistoffen en plasma reist geluid meestal als een longitudinale golf. Dat betekent dat de deeltjes heen en weer bewegen in dezelfde richting als de golf zelf. Je kunt dit vergelijken met een reeks veren, waarbij de ene de volgende in beweging zet.

Wat geluid bijzonder maakt, is de constante uitwisseling van energie. Wanneer de geluidsgolf deeltjes samendrukt, wordt potentiële energie opgeslagen. Zodra de deeltjes weer uitzetten en bewegen, verandert die energie in kinetische energie. Dit proces van samendrukken en uitzetten zorgt ervoor dat geluid zich door het medium voortbeweegt.

Wat is ultrasoon geluid?

Ultrasoon geluid, dat zo hoog is dat het voor het menselijk oor niet waarneembaar is, werkt precies hetzelfde als gewone geluidsgolven. Het enige verschil is dat de trillingen veel sneller gaan. Geluiden boven de 20.000 trillingen per seconde, oftewel 20.000 Hertz (Hz) vallen buiten ons gehoorbereik, dat zich beperkt tot frequenties tussen de 20 en 20.000 Hz. Hoewel het niet kan worden waargenomen, wordt ultrasoon geluid veel gebruikt in verschillende toepassingen.

Een goed voorbeeld hiervan is echografie, waarbij ultrasone geluidsgolven door het lichaam worden gestuurd om beelden te creëren. Tijdens zwangerschapsonderzoeken wordt deze techniek veel gebruikt om gedetailleerde beelden van de baby in de baarmoeder te maken. Maar het gebruik van ultrasoon geluid beperkt zich niet alleen tot de medische wereld. Schepen en onderzeeërs maken gebruik van sonar, een technologie die ultrasone geluidsgolven uitzendt om objecten onder water te detecteren. Denk aan andere boten of onderwatervoorwerpen. Het principe is simpel: geluidsgolven worden de diepte ingestuurd en het systeem meet de echo die terugkaatst. Dieren zoals dolfijnen en vleermuizen gebruiken een soortgelijk principe, genaamd echolocatie, om zich te oriënteren en objecten te lokaliseren.

Ultrasoon geluid heeft het voordeel dat de frequenties te hoog zijn voor onze oren om te detecteren. Dit zorgt ervoor dat het geluid geen storende invloed heeft op onze ervaringen, maar wel effectief overgedragen kan worden in toepassingen waar het belangrijk is dat geluid niet merkbaar is.

Nieuwe ontdekking: ultrasone golven als geleiders van elektriciteit

De kracht van ultrasone golven ligt in hun vermogen om energie over te dragen zonder fysiek contact. Door hun hoge frequenties kunnen ultrasone geluidsgolven grotere hoeveelheden energie overdragen over kortere afstanden, zonder dat er directe aanraking nodig is. Plasma, of geïoniseerde lucht, heeft daarnaast unieke eigenschappen die het onderscheiden van andere materietoestanden. Plasma kan elektrische vonken geleiden en reageert sterk op zowel elektrische als magnetische velden. Dit maakt plasma een uitstekend medium voor het efficiënt manipuleren van energie zonder fysiek contact.

De onderzoekers ontdekten dat je vonken in plasma kunt sturen met ultrasoon geluid. Door de geluidsgolven slim door de geïoniseerde lucht te leiden, veranderen ze de luchtdichtheid, waardoor de vonken vanzelf het pad van het geluid volgen.

Het proces werkt als volgt: de onderzoekers richten eerst de ultrasone golven in een bepaalde richting. De eerste vonk verwarmt de lucht, waardoor die lichter wordt en met de geluidsgolven meebeweegt. Vervolgens volgen de volgende vonken dat pad, als een spoor door de lichtere lucht. Zo bepalen de wetenschappers precies waar de vonk terechtkomt — zelfs op plekken waar je normaal geen vonk zou verwachten, zoals op hout of kunststof.

Toepassingen in verschillende sectoren

De resultaten van het onderzoek laten zien dat ultrasone velden een krachtig middel vormen om elektrische vonken te beheersen. Voorheen stuurden lasers vonken, maar deze technologie was duur en bovendien gevaarlijk voor ogen en huid. De nieuwe methode is veiliger, goedkoper en eenvoudiger toe te passen. Dit opent talloze mogelijkheden voor verschillende industrieën:

In de industrie kan deze techniek bijvoorbeeld gebruikt worden voor het nauwkeurig lassen of bewerken van kleine onderdelen. Werken met hoge precisie zonder fysiek contact verbetert niet alleen de werkkwaliteit, maar verhoogt ook de veiligheid door gevaarlijke situaties te vermijden.

Ook in de wetenschap biedt de technologie ongekende voordelen. Onderzoekers activeren of manipuleren stoffen op afstand zonder fysiek contact. Dit maakt experimenten efficiënter en vergroot de mogelijkheden voor onderzoek. Dit biedt nieuwe perspectieven voor het verkennen van stoffen die moeilijk te behandelen zijn met traditionele methoden.

Maar misschien het meest revolutionaire aspect is de mogelijkheid van tastbare feedback zonder aanraking. Stel je voor dat je informatie kunt voelen, zoals braille in de lucht, door middel van subtiele trillingen of veranderingen in de lucht, zonder dat je een fysiek object nodig hebt om mee in contact te komen. Dit zou niet alleen een doorbraak betekenen voor mensen met visuele beperkingen, maar ook nieuwe interfaces in technologie en communicatie mogelijk maken.

De ontdekking van het sturen van vonken met ultrasone geluidsgolven biedt een spannende manier om elektriciteit beter te beheersen. Deze innovatieve benadering opent veelbelovende perspectieven voor toepassingen in de industrie, geneeskunde, wetenschap en het dagelijks leven. Hoewel er nog verder onderzoek nodig is om de beste toepassingen te vinden, biedt het onmiskenbaar nieuwe mogelijkheden voor vooruitgang en innovatie.

Bronnen:

Irisarri, J., Ezcurdia, I., Iriarte, N., Sirkka, M., Nikolaev, D., Mäkinen, J., Martinez-Marchese, A., Iablonskyi, D., Salmi, A., & Marzo, A. (2025). Electric plasma guided with ultrasonic fields. Science Advances, 11(6). https://doi.org/10.1126/sciadv.adp0686
Gambetti – Electrisch plasma
HOorzaken – Geluid