Resonanzabsorption

Grundprinzip

Resonanzabsorption, auch resonante Absorption, bedeutet: Ein Resonator übernimmt Schwingungsenergie von einer Signalquelle, wenn er mit seiner Eigenfrequenz schwingt. Die Eigenfrequenz ist die Frequenz, mit der ein System von sich aus besonders leicht schwingt. Die aufgenommene Schwingungsenergie wird anschließend in eine andere Energieform umgewandelt, meistens in Wärme.

Entscheidend ist die Übereinstimmung der Frequenzen: Je weniger die Eigenfrequenz des Resonators von der Frequenz des Senders abweicht, desto größer ist die übertragene Energie. Diese Energie fehlt dann im ursprünglichen Signal. Resonanzabsorption tritt in sehr unterschiedlichen Bereichen auf, zum Beispiel bei mechanischen Schwingungen, in Gasen, in der Elektrotechnik, Chemie, Kernphysik und Astrophysik.

Gase und Licht

In Gasen absorbieren frei fliegende Moleküle bestimmte Wellenlängen oder Frequenzen besonders stark. Elektromagnetische Wellen werden in der Atmosphäre mit steigender Frequenz immer stärker gedämpft. Besonders Wasserdampf in der Atmosphäre trägt dazu bei, dass Frequenzen im K-Band in regenreichen Gebieten kaum für die Signalübermittlung genutzt werden.

Wichtige Absorptionslinien liegen bei 22,235 GHz (H₂O), 60 GHz (O₂), 118,75 GHz (O₂), 183,31 GHz (H₂O) und 325,153 GHz (H₂O). Solche Linien zeigen, bei welchen Frequenzen Moleküle besonders stark Energie aufnehmen.

Ein Beispiel ist Natriumdampf: Wird Licht mit allen Spektralfarben durch eine Wolke aus Natriumdampf geschickt, fehlen im durchscheinenden Licht die beiden gelben Natrium-D-Spektrallinien. Das nennt man auch Umkehrung der Natrium-D-Linien. Vergleichbares beobachtet man beim Sonnenlicht auf dem Weg zur Erde: Aus fehlenden Linien, den Fraunhofer-Linien, kann man schließen, welche Gase im Zwischenraum vorkommen. In der Nähe solcher Resonanzstellen tritt anomale Dispersion auf.

Mechanische Schwingungen

Bei mechanischen Schwingungen wird Resonanzabsorption genutzt, um Bewegungsenergie bestimmter, genau definierter Frequenzen in Wärmeenergie umzuwandeln. Ein Beispiel sind Schwingungstilger in Hochhäusern. Sie wirken besonders gut, wenn die störende Frequenz genau bekannt ist.

Wenn die Frequenz der unerwünschten Bewegung nicht genau bestimmbar ist oder viele verschiedene Frequenzen auftreten, nutzt man reibungsbehaftete Schwingungsdämpfer. Sie sind weniger effektiv, können aber breiter wirken. Ein Schlingertank verringert das Rollen von Schiffen bei seitlich auftreffenden Wellen.

In der Raumakustik können Helmholtz-Resonatoren und Membranabsorber schmalbandige, niederfrequente Raummoden absorbieren. Raummoden sind stehende Schwingungen der Luft in einem Raum. Auch Hochspannungsleitungen können durch Wind zu Schwingungen angeregt werden, was zu Kurzschluss oder Bruch führen kann. Deshalb werden besonders bei langen Spannfeldern Stockbridge-Schwingungstilger eingesetzt, deren Resonanzfrequenz fest eingestellt ist.

Elektrotechnik

In der Elektrotechnik wird Resonanzabsorption gezielt zum Filtern, Messen und Übertragen von Energie genutzt. Ein Saugkreis absorbiert im Bereich seiner Resonanzfrequenz Energie; diese wird größtenteils im Verlustwiderstand der Spule in Wärme umgesetzt. In der Nachrichten- und Messtechnik kann ein solcher Kreis als selektiver Kurzschluss für unerwünschte Signale dienen, etwa als Kerbfilter.

Mit einem Absorptionsfrequenzmesser lassen sich Frequenzgemische analysieren. Ein Dipmeter dient dazu, Resonanzstellen von Schwingkreisen und Antennen zu bestimmen. Oberschwingungsfilter unterdrücken unerwünschte Oberschwingungen im Strom oder in der Spannung elektrischer Energieversorgungsanlagen durch selektive Absorption. Solche Oberschwingungen entstehen unter anderem in Anlagen der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung, in Thyristorstellern und in Frequenzumrichtern.

Weitere Anwendungen sind Atomuhren, RFIDs, Indusi-Systeme, Warensicherung und Hochfrequenzempfänger. In einer Atomuhr sorgt Resonanz dafür, dass die Frequenz eines Quarzoszillators exakt mit Energiedifferenzen der Atomhülle bestimmter Atome übereinstimmt. Bei RFIDs und Indusi werden Energie und Daten über Abstände bis zu einigen Metern durch Resonanzabsorption übertragen. Abgestimmte Dipolantennen nehmen wegen Resonanzabsorption besonders viel Energie aus einem elektromagnetischen Feld auf; schon Frequenzabweichungen von einigen Prozent verringern die Signalstärke deutlich.

In Magnetresonanztomographen sind die Empfangsantennen für die sehr schwachen NMR-Signale auf ein schmales Frequenzband im Bereich der erwarteten Larmor-Frequenz abgestimmt. So werden Störsignale und Rauschen aus anderen Frequenzbereichen unterdrückt. In einem Bandpass wird besonders viel Energie zwischen zwei Schwingkreisen übertragen, wenn ihre Resonanzfrequenzen übereinstimmen. Beim Teslatransformator wird mit diesem Effekt Hochspannung erzeugt. Die Zyklotronresonanz freier Elektronen ist Grundlage von Gyrotron und Magnetron, zwei leistungsfähigen Mikrowellen-Generatoren.

Chemie und Atomphysik

In der Chemie zeigt sich Resonanzabsorption zum Beispiel bei Chlorophyll-Molekülen in Pflanzen. Die Elektronen in diesen Molekülen können nur Licht der Wellenlängenbereiche um 450 nm und 650 nm resonant absorbieren. Grünes Licht um 550 nm wird dagegen abgestrahlt, weil die Elektronen bei diesen Wellenlängen nur verlustarme erzwungene Schwingungen ausführen können.

Auch in der Kernphysik werden Wellen- oder Teilchenstrahlungen durch mikrophysikalische Systeme infolge von Resonanzphänomenen absorbiert. Das geschieht nur bei Frequenzen, die diese Systeme auch emittieren können. Eine besondere Form ist die „rückstoßfreie Resonanzabsorption“, die zum Beispiel in der Mößbauerspektroskopie genutzt wird.

Astrophysik

In der Astrophysik nutzt man Resonanzabsorption zur Untersuchung weit entfernter Himmelsobjekte. Mit der Lyman-Break-Technik sucht man nach rotverschobenen Absorptionslinien der kurzwelligsten Wasserstofflinie. Rotverschiebung bedeutet, dass Linien im Spektrum zu längeren Wellenlängen verschoben erscheinen.

Der häufig beobachtete „Lyman-Alpha-Wald“ erleichtert die Suche nach hochrotverschobenen Galaxien. Damit wird Resonanzabsorption zu einem Hilfsmittel, um sehr weit entfernte Galaxien im Universum aufzuspüren.