Ученые создали ультразвуковую трубу для переноса жидкостей по воздуху

Исследователи Хельсинкского университета создали канал без физических стенок, который направляет жидкость по воздуху с помощью ультразвука. Результаты опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Что разработали

Такая система способна перемещать едкие, вязкие и чувствительные к загрязнению вещества, не допуская их контакта с поверхностью обычных труб. Разработку возглавил профессор электроники Ари Салми.

«Из всех экспериментальных установок, которые я видел, эта больше всего похожа на магию», — сказал Салми.

Как это работает

Устройство формирует узкий акустический коридор, удерживающий поток на заданной траектории. При этом жидкость перемещается горизонтально и не соприкасается с твёрдыми стенками.

Вокруг потока цилиндром размещены 256 миниатюрных динамиков примерно в пяти сантиметрах от него. Они излучают ультразвук с частотой около 40 килогерц, недоступной человеческому слуху. Согласованная работа источников создаёт поле, которое ограничивает движение вещества и позволяет электронно менять направление канала.

«Изменяя управление динамиками, мы можем при необходимости перестраивать и поворачивать трубку», — объяснил руководивший проектом постдокторант Дмитрий Николаев.

Система способна перенаправлять поток, выпускать жидкость с точностью до одной капли и работать с разными состояниями вещества. Для твёрдого материала, жидкости и газа требуются разные конфигурации акустического поля, а электрический разряд можно вести по заранее заданному маршруту.

Как возникла идея

Идея возникла у Салми четыре года назад во время работы над ультразвуковой очисткой внутренних поверхностей труб.

«Мы разрабатывали устройство, которое очищало внутренние поверхности труб ультразвуком. Однажды за обедом с коллегой мы обсудили, что было бы удобно, если бы у трубы вообще не было поверхности, к которой могла бы прилипать грязь», — рассказал учёный.

Позже, во время прогулки с собакой, он предположил, что ультразвук можно использовать не для очистки стенок, а для их создания; над практической реализацией команда работала вместе со специалистами Государственного университета Наварры и Мичиганского университета.

Ограничения

Длина первого прототипа составляет восемь сантиметров, а отдельный модуль потребляет около 50 ватт — примерно столько же, сколько обычная лампа накаливания. По словам Николаева, такие секции можно соединять, увеличивая длину канала. Хотя звук не слышен человеку, интенсивность поля очень высока: в центре устройства она сопоставима с непрерывным грохотом выстрелов рядом с ухом, а непосредственно возле установки — с шумом реактивного двигателя; собакам такой звук может быть неприятен.

Справка

Акустическая левитация — известное явление, при котором звуковые волны удерживают небольшие объекты в воздухе; новая работа показывает, что с помощью ультразвука можно не только удерживать, но и направленно перемещать жидкость на расстояние.

Хельсинкский университет — один из ведущих вузов Финляндии.

Государственный университет Наварры и Мичиганский университет участвовали в теоретической и экспериментальной части работы.