Die Klänge von Morgen: Was Ultraschall wirklich kann – und wer die Fäden zieht

Wien 1877, eine Wohnung in der Inneren Stadt. Ein Mann sitzt über einem seltsamen Apparat aus Walzen und Nadeln. Seine Nachbarn klopfen schon wieder an die Wand – dieses ewige Gekratze. Dabei versucht er doch nur, die Stimme seiner verstorbenen Mutter festzuhalten. Sein Name ist Jakob, und er hat keine Ahnung, dass er scheitern wird. Aber sein Prinzip – Schall, den man nicht hört, nutzbar zu machen – das wird die Welt verändern.

Mehr als hundert Jahre später stehe ich in meiner Werkstatt und halte einen kleinen, unscheinbaren Wandler in der Hand. Aus ihm wird später ein Sensor, der durch mehrere Zentimeter Stahl hindurch in eine Kunststoffschmelze hört. Oder ein Gerät, das Gewebe so präzise abtastet, dass es Tumore fühlt, bevor sie im MRT sichtbar werden. Die Geschichte des Ultraschalls ist eine Geschichte der leisen Töne mit gewaltiger Wirkung. Und sie ist längst nicht zu Ende erzählt.

Die Echolote der Natur

Bevor irgendein Ingenieur auch nur daran dachte, Schallwellen zu bändigen, war die Natur längst weiter. 1794 beobachtete der italienische Wissenschaftler Lazzaro Spallanzani, wie Fledermäuse in völliger Dunkelheit umherflogen, ohne gegen Wände zu prallen. Er erkannte: Sie mussten sich mit ihren Rufen orientieren . Das Konzept der Echolokation war entdeckt – nur fehlte noch das Werkzeug, es dem Menschen nutzbar zu machen.

Dieses Werkzeug kam 1880. In Paris entdeckten die Brüder Pierre und Jacques Curie den piezoelektrischen Effekt. Bestimmte Kristalle, fanden sie heraus, verformen sich, wenn man sie unter Strom setzt. Und umgekehrt: Drückt man auf sie, erzeugen sie eine elektrische Spannung. In den Laborbüchern der Curies, die heute in der Bibliothèque nationale de France liegen, finden sich erste handschriftliche Notizen, die von dieser Umkehrung berichten. Sie hatten das Prinzip des Ultraschallwandlers erfunden, ohne es zu wissen. Erst der Erste Weltkrieg zwang die Technik aus den Laboren: Das Sonar sollte U-Boote aufspüren . Plötzlich war die Ortung mit Schall keine Naturbeobachtung mehr, sondern militärische Notwendigkeit.

Der eigentliche Held für uns Medizin-Nutzer aber war ein österreichischer Neurologe. Ende der 1940er Jahre versuchte Karl Dussik, mit Ultraschall das menschliche Gehirn sichtbar zu machen. Seine Geräte, die heute im Deutschen Röntgenmuseum in Lennep stehen, wirken wie Monstrositäten – riesige Wannen, in die der Patient den Kopf legte, während Oszilloskope zittrige Linien zeichneten . Dussik nannte es „Hyperphonographie“. Die Bilder waren schlecht, die Methode umstritten. Aber der Funke war übergesprungen.

Das Herzstück: Wie wir Gewebe fühlen lernen

Jahrzehntelang war Ultraschall ein zweidimensionales Graustufenbild. Wir sahen die Umrisse der Organe, die Bewegungen des ungeborenen Kindes. Aber wir fühlten nicht, was darin vorging. Dabei ist die Konsistenz eines Gewebes der älteste Diagnostiker der Welt. Ein Arzt tastet mit den Fingern, ob eine Schwellung hart oder weich ist. Ein harter Knoten in der Brust – das ist der erste Alarm.

Genau hier setzt die Idee an, die alles verändert hat. Die Scherwellenelastographie, kurz SWE. Die Geschichte dahinter ist eine von Tüftlern, die verstanden haben, dass man Gewebe nicht nur sehen, sondern auch „hören“ muss.

Die physikalische Grundlage ist simpel und genial zugleich: Herkömmlicher Ultraschall nutzt Longitudinalwellen – sie schwingen in Ausbreitungsrichtung und werden an Gewebegrenzen reflektiert. Ein Tumor aber unterscheidet sich oft nicht in der Form, sondern in der Steifigkeit vom gesunden Gewebe. Und Steifigkeit misst man am besten mit Transversalwellen – den langsamen Scherwellen, die senkrecht zur Ausbreitungsrichtung schwingen. Problem: Sie entstehen nur, wenn man das Gewebe kurz und kräftig „anstupst“.

In den 2000er Jahren tüftelten französische Forscher an einer Lösung. Die Patentschrift, die ich mir vor einiger Zeit angesehen habe (US 2007/0106178 A1), beschreibt ein Verfahren namens „Supersonic Shear Imaging“ (SSI). Der Clou: Statt eines einzelnen Ultraschallpulses erzeugen sie durch geschickte Phasensteuerung der Piezo-Elemente eine Art Überschallknall im Gewebe. Eine Stoßfront, die sich durchs Organ bewegt und dabei Scherwellen erzeugt. Gleichzeitig wird mit extrem hoher Bildrate – über 10.000 Bilder pro Sekunde – gemessen, wie schnell diese Scherwellen durchs Gewebe wandern .

Warum ist das so genial? Weil die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Scherwelle direkt mit der Steifigkeit zusammenhängt. Ein harter Tumor leitet die Welle schneller weiter als weiches Fettgewebe. Die Forscher um Mickaël Tanter und Mathias Fink, die dafür 2021 die Eduard-Rhein-Stiftung ausgezeichnet wurden, haben die Mathematik dahinter so weit getrieben, dass das System in Echtzeit eine farbige Landkarte der Gewebehärte auf den Monitor legt. Rot für hart, blau für weich. Der Arzt sieht nicht nur den Tumor, er fühlt ihn mit den Augen .

Die leisen Riesen der Industrie

Während die Medizin an Bildern feilt, hört die Industrie längst auf andere Frequenzen. Nehmen wir ein österreichisches Start-up namens Moldsonics. Die Gründer, ausgehend von der Johannes Kepler Universität Linz, haben sich gefragt: Warum müssen wir immer warten, bis ein Spritzgussbauteil fertig ist und wir dann den Ausschuss messen? Können wir nicht während des Prozesses hineinhören?

Ihr Sensor, nicht größer als ein Fingerhut, wird in eine Sacklochbohrung des Spritzgusswerkzeugs gesetzt. Er sendet Ultraschallimpulse durch mehrere Zentimeter Stahl hindurch direkt in die zähflüssige Kunststoffschmelze. Die Herausforderung: Kunststoff dämpft Schall extrem. Nur etwa drei Prozent der Energie kehren als Echo zurück . Aber in diesem schwachen Signal steckt eine immense Informationsdichte. Der Sensor misst, wie schnell die Schmelze fließt, wo die Erstarrungsfront genau verläuft und wie stark das Bauteil beim Abkühlen schrumpft.

Das ist keine Spielerei. Wenn man damit den Verschleiß der Förderschnecke im Extruder live überwachen kann – mit einer Genauigkeit von 0,05 Millimetern – dann weiß man, wann man sie austauschen muss, bevor sie bricht. Ein Schneckenbruch, das habe ich mir von einem Kunststofftechniker erklären lassen, kann eine ganze Produktionslinie für Wochen lahmlegen. Die Energie, die man spart, indem man genau den richtigen Zeitpunkt für die Wartung erwischt, ist immens. Moldsonics spricht von einem Beitrag zur „Defossilisierung“ – denn die beste Energie ist die, die man gar nicht erst verbraucht, weil der Ausschuss ausbleibt .

Die Zukunft klingt anders

Aber was kommt noch? Was sind die Zukunfts-Klänge, die heute in den Forschungslaboren entstehen? Ich habe mich durch aktuelle Projekte gewühlt und drei Entwicklungen gefunden, die zeigen, wohin die Reise geht.

1. Die Hybriden aus Dresden

Im Fraunhofer IKTS in Dresden tüfteln sie an einem radikalen Umbau der Ultraschalltechnik. Das Projekt „HybridEcho“ klingt nach Science-Fiction, ist aber harte Ingenieursarbeit. Die Idee: Bisher nutzen wir für medizinischen Ultraschall dieselben Piezo-Kristalle zum Senden und Empfangen. Das ist, als würdest du mit einem Schraubenzieher sowohl schrauben als auch die Schrauben zählen wollen – ein Kompromiss.

Die Dresdner kombinieren jetzt hochleistungsfähige Piezo-Sender mit winzigen MEMS-basierten Empfängern (cMUTs), die aus der Halbleiterindustrie kommen. Die Sender peitschen das Gewebe mit Schallwellen, die Empfänger lauschen mit höchster Empfindlichkeit. Gleichzeitig zapfen sie Methoden aus der 5G- und 6G-Telekommunikation an: MIMO, also mehrere Sender und Empfänger, die gleichzeitig und mit kodierten Signalen arbeiten. Der 5,6-Millionen-Euro-Förderbescheid der Sächsischen Aufbaubank ist noch warm, aber die ersten Demonstrator-Chips, die einen Millimeter breit sind und mit unter 50 Volt Spannung auskommen, sind bereits in Betrieb . Ziel ist eine Bildgebung, die nicht nur sieht, sondern das Gewebe quasi „abtastet“ mit einer Auflösung, die heute undenkbar ist.

2. Der Druck, den man nicht sieht

Die aufregendste Nachricht der letzten Monate kam aber aus Kanada. An der Concordia University in Montreal hat eine Gruppe um Muthukumaran Packirisamy ein Verfahren entwickelt, das sie „Direct Sound Printing“ nennen. Stell dir vor, du nimmst eine Wanne mit flüssigem Kunstharz. In dieser Wanne erzeugst du mit fokussiertem Ultraschall mikroskopisch kleine Bläschen. In diesen Bläschen, die nur wenige Mikrometer groß sind, entsteht für den Bruchteil einer Pikosekunde ein extremes Umfeld: Temperaturen um 15.000 Grad Celsius, Drücke von über 1000 Bar. Das ist heißer als die Oberfläche der Sonne .

Und genau dort, in dieser kosmischen Gewalt, wird das flüssige Harz schlagartig fest. Die Forscher nennen es „Kavitations-chemische Reaktion“. Indem sie den Ultraschallfokus durch die Flüssigkeit bewegen, können sie dreidimensionale Strukturen aufbauen – Pixel für Pixel, Schicht für Schicht. In der Fachzeitschrift Nature Communications zeigen sie, wie sie damit winzige Figuren aus dem Polymer PDMS drucken .

Was mich als Techniker so umhaut, ist nicht nur die Präzision. Es ist die Möglichkeit, die dahintersteckt. Weil Ultraschall Wände durchdringt, könnte man eines Tages in einem versiegelten Reaktor ein Bauteil nachdrucken, ohne ihn öffnen zu müssen. Oder – und das ist der wirklich kühne Gedanke – in einem menschlichen Körper direkt am Ort der Verletzung neues Gewebe oder Implantate entstehen lassen. „Wir wollten Ultraschall nutzen, um etwas zu erschaffen, nicht zu zerstören“, sagt Packirisamy in einem Interview . Das ist eine Haltung, die mir gefällt.

3. Die Sensibilität des Digitalen Zwillings

Und dann ist da noch der Blick auf die unsichtbaren Helden: die Schichten, aus denen die Wandler bestehen. Das Fraunhofer FEP in Dresden arbeitet im Projekt „DigiMatUs“ daran, die Herstellung dieser piezoelektrischen Dünnschichten zu digitalisieren. Es geht um Materialien wie Aluminiumnitrid, die auf wenige Mikrometer dünn aufgebracht werden, damit sie später mit immer höheren Frequenzen schwingen. Höhere Frequenz bedeutet bessere Auflösung. Ein digitaler Zwilling des Beschichtungsprozesses soll vorhersagen, wie sich die kleinste Änderung der Kathodenspannung oder der Substrattemperatur auf die spätere Kristallstruktur auswirkt . Das ist die Akribie des Ingenieurs, die dafür sorgt, dass die großen Visionen nicht an der Fertigung scheitern.

Was bleibt

Ich denke zurück an Jakob in seiner Wiener Wohnung, der verzweifelt versuchte, die Stimme seiner Mutter zu bannen. Er ist gescheitert, weil die Technik noch nicht reif war. Aber sein Traum, dem Schall Geheimnisse zu entreißen, lebt in jedem Ultraschallkopf, der heute über einen Bauch geführt wird, in jedem Sensor, der in eine Spritzgussmaschine flüstert, und in jedem Labor, das daran arbeitet, mit 15.000 Grad heißen Bläschen die Medizin zu revolutionieren.

Der Ultraschall hat drei Leben: Er begann als Echo der Fledermaus, wurde zum Auge des Arztes und ist heute dabei, zur Hand des Chirurgen und zum Ohr des Ingenieurs zu werden. Die Maschine, der Wandler, die Schwingung – sie sind nur die Buchstaben. Die Geschichte aber ist die von Menschen, die nicht aufhören konnten zu fragen: Was passiert, wenn wir ganz genau hinhören?