Forscher des spanischen IMDEA Materials Institute haben in Zusammenarbeit mit der Nanjing-Universität und der Huazhong-Universität für Wissenschaft und Technologie ein neuartiges akustisches Metamaterial entwickelt, das komplexe Schallsignale direkt zwischen Wasser und Luft übertragen kann. Dieser Fortschritt, über den in der Arbeit „High-Dimensional Multiplexing Metamaterial for Cross-Media Full-Acoustic Communication“ berichtet wird, könnte die Unterwasserkommunikationstechnologie erheblich verbessern und neue Anwendungen wie die Meeresüberwachung und medizinische Bildgebung ermöglichen.
Schall breitet sich in Wasser und Luft unterschiedlich aus, da ihre akustischen Eigenschaften wie Dichte und Schallgeschwindigkeit stark variieren. Diese Unstimmigkeit führt dazu, dass die meisten Schallwellen an der Wasser-Luft-Grenzfläche reflektiert werden, was eine effiziente Kommunikation behindert. Moderne Systeme sind typischerweise auf Zwischengeräte wie Bojen angewiesen, die Unterwasserschallsignale in Funksignale umwandeln und weiterleiten, aber dieser Prozess ist teuer, langsam und anfällig für elektromagnetische Störungen.
Um diese Einschränkung zu überwinden, entwarfen die Forscher ein hochdimensionales Multiplexing (HDM) akustisches Metamaterial, das als passive Brücke für Schallwellen zwischen Wasser und Luft dient. Im Gegensatz zu herkömmlichen Materialien, die normalerweise nur ein oder zwei Aspekte des Schalls kontrollieren können, kann die neue Struktur gleichzeitig vier Schlüsseldimensionen modulieren: Amplitude, Phase, Frequenz und Bahndrehimpuls. Die Studie wurde in der Fachzeitschrift „Materials Horizons“ veröffentlicht.
„Wir haben gezeigt, dass das vorgeschlagene HDM-Metamaterial in der Lage ist, alle Dimensionen von Schallwellen über die Wasser-Luft-Grenze hinweg auf passive, kompakte und effiziente Weise zu modulieren, einschließlich Amplitude, Phase, Frequenz und Bahndrehimpuls“, erklärt Prof. Johan Christensen von IMDEA Materials, einer der Autoren der Veröffentlichung. „Dank dieser hochdimensionalen Eigenschaft kann dieses Metamaterial gleichzeitig räumlich-spektrale Multiplexsignale von einem Medium zum anderen vermitteln und demodulieren, was die Kanalkapazität und spektrale Effizienz erheblich erhöht.“
Diese multidimensionale Kontrolle erhöht die Menge der übertragbaren Informationen und verbessert die Kanalkapazität und spektrale Effizienz. In Experimenten nutzte das Team das Metamaterial als passiven „Meta-Repeater“, um komplexe Bilder von einer Unterwasserquelle in Echtzeit an mehrere Empfänger in der Luft zu übertragen. Das System unterstützte vier unabhängige Kommunikationskanäle und erreichte eine sehr niedrige Bitfehlerrate, während es gleichzeitig robust gegenüber Hintergrundrauschen und Wasseroberflächenstörungen blieb.
Da diese Technologie ausschließlich Schallwellen nutzt und keine Umwandlung in Funksignale erfordert, könnte sie auch höhere Sicherheit und Zuverlässigkeit bieten. „Diese auf HDM-Metamaterial basierende Technologie eröffnet ein neues Paradigma für die Kontrolle von Schallwellen in komplexen grenzüberschreitenden Systemen“, sagt Prof. Christensen. „Neben der Unterwasserkommunikation und maritim-luftgestützten Operationen hat sie weitreichende Auswirkungen, von spezifischen Fällen wie transkranieller Ultraschallbildgebung bis hin zu Kommunikationssystemen der nächsten Generation im aufkommenden Internet der Dinge.“ „Ich möchte auch die hervorragende Zusammenarbeit hinter dieser Studie hervorheben, insbesondere mit Prof. Bin Liang von der Nanjing-Universität und seinem Team, die diese Studie ursprünglich vorgeschlagen haben“, fasst Prof. Christensen zusammen.
Veröffentlichungsdetails: Autor: IMDEA Materials; Titel: „Acoustic metamaterial can send complex signals directly between water and air“; erschienen in: „Materials Horizons“ (2026).
