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Beweglich wie ein Fisch im Sand

Bionik: Sandfisch liefert Ansatzpunkte für Kratzfeste Oberflächen und bessere Fördertechnik
Beweglich wie ein Fisch im Sand

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Eine besonders kratzfeste Haut und die ideale Bewegungsfrequenz sind die Voraussetzungen, um sich möglichst energiearm durch Sand zu bewegen: Das lernten Bioniker der RWTH Aachen von einer Echse, dem Sandfisch. Ihre Erkenntnisse wollen sie nun auf technische Prozesse übertragen.

Der Sandfisch ist ein lohnendes Studienobjekt für Materialwissenschaftler und Fördertechniker. Die etwa 15 cm lange Echse, die in den Wüsten Nordafrikas und des Nahen Ostens lebt, schwimmt weite Distanzen mit bis zu 300 mm/s sehr energieeffizient durch den Sand, und zwar nicht nur direkt unter der Oberfläche. Eine beeindruckende Anpassung an diesen Lebensstil sind das geringe Reibungsverhalten und die erstaunliche Abrasionsresistenz ihrer Schuppen, die sogar die Eigenschaften von Stahl übertreffen. Besonders interessant wäre es, diese Kratzfestigkeit auf technische Oberflächen übertragen zu können.

Forscher um Prof. Werner Baumgartner vom Lehrstuhl für Zelluläre Neurobionik der Rheinisch Westfälischen Technischen Hochschule (RWTH) Aachen konnten zeigen, dass diese tribologischen Eigenschaften der Sandfischhaut nicht, wie ursprünglich angenommen, auf Mikro- oder Nanostrukturen beruhen, sondern ausschließlich auf deren Materialzusammensetzung. Rücken-, Seiten- und Bauchschuppen des Sandfisches weisen nämlich alle unterschiedliche Strukturen auf, sind aber gleichmäßig verschleißfest.
Den ersten Hinweis auf die Ursache bekamen die Wissenschaftler, als sie die Schuppen mit dem Rasterkraftmikroskop untersuchten: Zwischen der Schuppenoberfläche und den verwendeten Siliziumspitzen, die am ehesten die Eigenschaften von Sand repräsentieren, gibt es praktisch keine Anziehungskräfte. Also wandten sie sich der chemischen Zusammensetzung der Schuppen zu. Diese bestehen aus glykosylierten Keratinen mit hohem Schwefelgehalt, enthalten aber keine harten, anorganischen Materialien wie Silikate. Allerdings verloren die Schuppen ihre Verschleißfestigkeit, sobald die Forscher die Glykosylierung der Keratine entfernten, also die Zuckerseitenketten auf der Oberfläche der Proteine. Die Zuckerketten scheinen daher ausschlaggebend für die herausragenden tribologischen Eigenschaften der Schuppen zu sein.
Um zu testen, ob sich die Eigenschaften der Zuckerketten auf andere Oberflächen übertragen lassen, lösten die Wissenschaftler die Schuppen komplett in ihre Bestandteile auf und schieden die entstandene Lösung wieder auf einer Dialysemembran ab. Tatsächlich wies diese nun ähnliche Eigenschaften wie die Schuppen auf. Im kleinen Rahmen lässt sich das Material also durchaus schon nachahmen.
Derzeit arbeiten die Aachener daran, die Eigenschaften der Keratine in der Sandfischhaut durch chemische Kopplung auf Gläser und eventuell auch auf Metalle zu übertragen. Gelingt dies, könnten beispielsweise die Oberflächen von Touch-Screens, Lagern oder Kupplungsscheiben entsprechend behandelt werden. Doch dazu müssen die Bioniker vor allem die chemische Zusammensetzung der Keratine und ihrer Zuckerketten noch genauer untersuchen. Die Tatsache, dass die Schuppen eine glänzende Oberfläche haben und nicht matt sind, lässt sie allerdings hoffen, dass sich die Kratzfestigkeit auf Lacke oder Farben übertragen lässt.
Doch nicht nur mit ihrer Kratzfestigkeit beeindruckte die Echse die Wissenschaftler. Sie wollten auch wissen, wie sich der Sandfisch tatsächlich unter der Oberfläche fortbewegt, mit einer Bewegung, die Sandschwimmen genannt wird. Die Erkenntnisse darüber könnten auf industrielle Fördertechniken für granuläre Materialien übertragbar sein.
Ob Sand oder Kunststoffgranulat: Optimierte Fördertechnik könnte die Materialien energieeffizienter, wartungsärmer und damit kostengünstiger transportieren. Baumgartner und sein Team beobachteten den Sandfisch einerseits per 3D-Laserscannen und steckten ihn zudem in einem großen Sandbehälter in einen Kernspin-Tomographen. Zu ihrer Überraschung lief die Echse richtig im Sand, statt sich wie eine Schlange hindurchzuschlängeln. Nach einem festen Schema bewegt sie ihre Beine vor und zurück, gegen den Widerstand des Sandes. Gleichzeitig bewegt sie ihren Körper mit einer Frequenz von 3 Hz hin und her, und zwar mit einer Amplitude, die etwa der Hälfte der Körperlänge entspricht. Baumgartner erklärt, das Prinzip ähnele dem eines kraulenden Schwimmers. Bewegt sich der Kopf beziehungsweise Vorderkörper des Sandfisches nach links, entsteht rechts davon ein Bereich fließenden und damit sehr lockeren Sandes, der sich mehr wie eine Flüssigkeit verhält. Darin kann er sein rechtes Vorderbein leicht nach vorne bewegen. Momente später bewegt sich der Vorderkörper wiederum nach rechts, so dass sich hier der Sand verdichtet. Von diesem verdichteten Sand kann die Echse gut ihr rechtes Vorderbein abstoßen. Durch die prinzipiell gleichen, aber zeitversetzten Bewegungen der anderen Beine kann sich der Sandfisch effektiv und äußerst schnell nach vorn schieben. In einem Modellversuch bewegten Baumgartners Mitarbeiter ein Stück Aluminium von der Größe der Echse in 10 cm Tiefe durch Sand vor und zurück. Am Stromverbrauch des für die Bewegung eingesetzten Linearmotors konnten sie dabei direkt ablesen, wie groß die zu überwindende Kraft war. Genau bei 3 Hz war sie am geringsten, da die umliegende Sandstruktur dann am lockersten war.
Die Arbeitsgruppe Baumgartner erhofft sich, dass sie über die Studien des Sandfisches mehr über die Physik granulärer Medien lernen kann und auch darüber, wie diese effektiv dekompaktiert werden können. Derzeit stellt der Aachener Bioniker zusammen mit Christoph Butenweg, Leiter des RWTH-Instituts für Baustatik und Baudynamik, Aachen, ein Projekt zur exakten Simulation granulärer Materialien auf die Beine. Ziel soll es sein, ein Rechenmodell zu erstellen, das sozusagen zwischen den derzeit gängigen partikelbasierten oder kontinuumsmechanischen Modellen liegt. Erstere berücksichtigen einzelne Partikel und sind daher extrem Speicher- und rechenintensiv – das Sandfischproblem ist daher zu groß für sie. Die kontinuummechanischen Modelle beschrieben das Problem dagegen nicht präzise genug.
Laut Baumgartner ergibt sich eine ähnliche Problematik in der Fördertechnik, wenn beispielsweise berechnet werden soll, wie man die Föderleistung von Granulat durch Leitungen optimiert. Dazu wäre es sehr hilfreich, ein passendes Modell des Sandfisches zu haben und damit eine exakte Vorstellung davon, wie die Dekompaktierungsvorgänge um ihn herum ablaufen.
Monika Corban ist freie Journalistin in Liestal/Schweiz

Neue technologien
Sich nicht nur von der Natur inspirieren lassen, sondern die Biologie vor allem systematisch zu erforschen, um zu neuen technischen Ansätzen zu kommen: Dieses Ziel haben sich die Bioniker gesteckt. Dass die Inspiration trotzdem nicht zu kurz kommt, zeigt ein Text von Prof. Rechenberg von der TU Berlin, in dem er Möglichkeiten der Bionik im Jahr 2099 diskutiert – ohne Garantie für jedwede Prognose.
www.tu-berlin.de (Schaltfläche: Bionik 2099)

Geringere Reibung als Teflon
Wie hoch die Reibung einer Oberfläche gegenüber einem anderen Material ist, lässt sich über den Reibungswinkel φ bestimmen. Dieser beschreibt, ab welchem Steigungswinkel ein Material auf einer schrägen Ebene anfängt zu rutschen.
Forscher um Prof. Ingo Rechenberg vom Fachgebiet Bionik und Evolutionstechnik an der TU Berlin verglichen die Eigenschaften der Sandfischschuppen mit denen technischer Materialien. Fazit: So eine Schuppe ist ganz schön glatt.
Material Reibungswinkel
Sandfischschuppe 21°
Stahl 25°
Glas 28°
Nylon 30°
Teflon 36°
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