Hallo Echo

Wellen nutzen als verlängerten Tastsinn durch Reflexion
Werfen wir einen Ball gegen eine Wand, prallt er zurück. Gleiches geschieht mit Wellen, wenn sie auf ein Hindernis treffen. Wir kennen das vom Echo, das zurückschallt. Bei so einer Reflexion verändert sich die Welle: Informationen über das Hindernis gehen in sie über und können ausgewertet werden.
Poster zum Thema Reflexion
Klick Klick
Dicke
Erdöl
Seismometer
Ozeanboden
Lidar
Radar
Georadar

Das Innere ertasten

In unseren Körper können wir von aussen nicht hineinsehen, weil wir nicht lichtdurchlässig sind. Mit passenden Wellen und ihren Reflexionen können wir aber in ihn «hineintasten». In der Medizin werden Ultraschallwellen über die Haut in den Körper gesendet. Überall dort, wo sich das Gewebe ändert, werden Wellen reflektiert. So erkennt man das Baby im Bauch der Mutter, weil seine Umgebung – das Fruchtwasser – flüssig ist und das Baby nicht. Die Vermessung des Meeresbodens mit Schallwellen (Sonar) vom Schiff aus funktioniert genauso: Die durch das Wasser ausgesendeten Wellen werden am festen Boden reflektiert.

Bodyscanner am Flughafen tasten Passagiere mit elektromagnetischen Wellen ab. Die Wellen dringen durch die Kleidung, werden aber von der Haut oder z.B. einem in der Hosentasche vergessenen Taschenmesser reflektiert.

Je stärker der Unterschied zwischen zwei Materialien ist, desto stärker ist die Reflexion. Dies nutzt man auch bei der Rohstoffsuche: An der Erdoberfläche werden Wellen erzeugt, welche an Gesteinsschichten in der Erde reflektiert werden. Eine für diese seismischen Wellen besonders gut sichtbare Grenze ist der Übergang zwischen Gestein und Erdöl.

Georadar bildet auf gleiche Weise den Untergrund ab. Seine Radiowellen eignen sich u.a. zur Untersuchung archäologischer Stätten. Georadar wird auch für Messungen aus der Luft verwendet, um z.B. die Dicke von Gletschereis zu bestimmen. Diese Daten helfen, Auswirkungen des Klimawandels zu dokumentieren.

 

Mit den Ohren sehen

Viele Tiere orientieren sich mithilfe reflektierter Schallwellen (Echoortung). So stossen Fledermäuse während des Flugs wiederholt kurze Schreie aus. Diese Ultraschallwellen prallen an Objekten in ihrer Umgebung ab. Die zurückkommenden Echos enthalten Informationen über die Objekte wie Richtung, Entfernung, Grösse, Form, Material und Bewegung. Dadurch kann die Fledermaus Hindernisse und Beute erkennen.

Daniel Kish ist seit seinem zweiten Lebensjahr blind. Er hat gelernt, sich ähnlich einer Fledermaus zu orientieren: Mit seiner Zunge macht er Klicklaute, die viele Meter weiter reichen als sein Blindenstock. Jeder Klick erlaubt ihm einen kurzen «Blick» in die Umgebung. Durch wiederholte Klicks entsteht in seinem Kopf ein detailliertes Bild, das ihm sogar ermöglicht, Fahrrad zu fahren. Er trainiert auch andere Menschen mit Sehbehinderung und eröffnet ihnen damit neue Möglichkeiten, ihr Leben zu gestalten.

Die Forschung hat gezeigt, dass Signale der Echoortung in dem Teil des Gehirns verarbeitet werden, der für das Sehen zuständig ist. Zwar nimmt Daniel die Umgebung unschärfer und weniger detailreich wahr als es mit den Augen möglich wäre – er kann aber trotzdem auf seine Art sehen.

 

Mit Rund-Umsicht navigieren

Für die Flugsicherung ist es wichtig zu wissen, wo sich Flugzeuge genau befinden. Dafür scannt ein Flugradar den Himmel mit Radiowellen. Beim autonomen Fahren scannt das Auto die Umgebung. Zur Orientierung und Abstandsmessung kommen hauptsächlich Lidar und Radar zum Einsatz. Die kleinen Wellenlängen von Lidar (meist Infrarotlaser) können Objekte sehr genau abtasten. Sie werden für eine Rundumsicht eingesetzt, um im Umkreis von bis zu 200 Meter den Überblick zu behalten. Mit den grösseren und weiter reichenden Wellenlängen des Radars (meist Radiowellen) lassen sich hingegen Bewegungen besser einschätzen. Da Lidar z.B. auch auf fallende Schneeflocken reagiert, ist es noch schwierig, diese Systeme allwettertauglich zu machen.

Es stellen sich noch weitere Herausforderungen: Wie können die riesigen Datenmengen schnell genug verarbeitet und interpretiert werden? Wie werden die besten Entscheidungen auch bei ungenügender Datenlage getroffen? Wer haftet, wenn ein Unfall geschieht? Und ist immer sichergestellt, dass ein Auto nicht gehackt und fremdgesteuert werden kann?