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Mit der Kraft der Verdunstung

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Die Verdunstung treibt dieses Gefährt an (Chen et al.)
Verdunstung ist ein allgegenwärtiges Phänomen, sie tritt überall da auf, wo Wasser allmählich in den gasförmigen Zustand übergeht. Doch bisher galten ihre Effekte als zu schwach und langsam, um sie in irgendeiner Form praktisch nutzen zu können. US-Forscher belehren uns nun eines Besseren: Sie haben gleich mehrere Maschinen konstruiert, die von der Kraft der Verdunstung angetrieben werden. Eine bringt mit Hilfe von nassem Papier ein Miniauto zum Rollen. Eine andere Maschine arbeitet wie ein künstlicher Muskel. Sie erzeugt durch Kontraktion und Dehnung genügend Strom, um eine LED zum Leuchten zu bringen.

In der Natur funktioniert es längst: Viele Pflanzen nutzen die Effekte der Verdunstung, um ihre Sporenkapseln zu öffnen oder andere Bewegungen auszuführen. Und auch im Mikrokosmos können hygroskopische, wasseranziehende Materialien ein Feuchtigkeitsgefälle in mechanische Energie umwandeln. „Doch wenn man dieses Phänomen hochskalieren möchte, um auch makroskopische Geräte zu bauen, bringt dies eine Vielzahl von Problemen mit sich“, erklären Xi Chen von der Columbia University in New York und seine Kollegen. Weil sich die Luftfeuchte in größerem Maßstab betrachtet nur sehr langsam ändert, begrenzt dies die Kraft und auch die Schnelligkeit, mit der Bewegungen per Verdunstung angetrieben werden können. Aber Chen und seine Kollegen haben nun zwei Faktoren raffiniert kombiniert, um trotzdem makroskopische Verdunstungs-Maschinen zu konstruieren.

Bakteriensporen als Grundbausteine

Für ihre Experimente nutzen die Forscher Sporen des Bacillus subtilis, die von Natur aus eine starke Reaktion auf Luftfeuchte-Änderungen zeigen: Wird ihre Umgebung feuchter, dehnen sie sich aus und werden flacher. Ist es dagegen trocken, ziehen sie sich zusammen und werden runder. Diese Sporen trugen die Wissenschaftler auf einen extrem dünnen Plastikfilm auf und übertrugen so die Bewegungen der einzelnen Sporen auf den gesamten Film und damit auf einen größeren Maßstab. Mehrere solcher bis zu zehn Zentimeter langen Plastikstreifen kombinierten sie nun zu einer Art künstlichem Muskel, den sie Hygroskopy Driven Artificial Muscles (HYDRA) tauften. Wurde dieser Muskel nun in einem Rohr abwechselnd entweder feuchter oder trockener Luft ausgesetzt, zog er sich stark zusammen beziehungsweise dehnte sich aus. Dabei konnten die HYDRAs noch Gewichte bewegen, die dem 50-Fachen ihres Eigengewichts entsprachen, wie Chen und seine Kollegen berichten. 

Doch die HYDRAs waren nur der erste Schritt. Sie dienten den Forschern nun als Grundbausteine für zwei verschiedene Verdunstungs-Maschinen. In der ersten Variante montierten Chen und seine Kollegen die Sporenstreifen auf ein Plexiglasrad. Dieses umschlossen sie zur Hälfte mit einem Gehäuse, das innen mit feuchtem Papier ausgekleidet war. Das Wasser verdunstete und setzte die Hälfte des Rades einer höheren Luftfeuchte aus. Dadurch dehnten sich dort die sporenbesetzen Plastikstreifen aus. „Das erzeugt ein winziges Massenungleichgewicht, das das Rad in Bewegung versetzt“, erklärt Davis Goodnight von der Columbia University. Über ein Gummiband verbanden die Forscher nun diesen Rotationsmotor mit den Vorderrädern eines kleinen Miniautos. Und tatsächlich: Allein durch die Kraft der Verdunstung getrieben, bewegte sich das 100 Gramm schwere Gefährt fort.

Luftfeuchtigkeit bringt LEDs zum Leuchten

Über die Kraft der Verdunstung lässt sich aber auch Strom erzeugen, wie die Forscher mit ihrer zweiten Verdunstungsmaschine belegen. Dafür montieren sie die sporenbesetzen Plastikstreifen waagerecht über einem kleinen Wasserbecken. Über eine Art Federkonstruktion koppelten sie diese künstlichen Muskeln mit einer Reihe von Verschlussklappen über den Streifen. Zu Beginn sind diese Klappen geschlossen, dadurch dehnen sich die HYDRA-Streifen aus. Das jedoch bewegt die Feder und öffnet die Klappen. Als Folge sinkt die Luftfeuchtigkeit in der Kammer und die HYDRAs ziehen sich wieder zusammen. Die Luftfeuchtigkeit in der Kammer steigt wieder und der Zyklus geht von vorne los. „Dadurch erzeugten wir einen Oszillator, der eine kolbenähnliche  Bewegung durchführt“, so die Forscher. Bei einer Wassertemperatur von 31 Grad dauerte jeder Zyklus nur rund sechs Sekunden. „Diese relativ schnelle, kolbenähnliche Bewegung ermöglicht es dem Oszillator als Motor zu agieren und externe Systeme mit Strom zu versorgen“, erklären Chen und seine Kollegen. Verknüpften sie diesen Verdunstungs-Motor mit einem kleinen Generator, erzeugte er genügend Strom, um zwei LEDs zum Blinken zu bringen. Messungen ergaben, dass dieser Motor immerhin Leistungen von bis zu 60 Mikrowatt erbrachte.

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„Unsere Demonstrationen unterstreichen die bisher übersehene Fähigkeit des Wassers in unserer Umwelt, nutzbare Leistungen zu erbringen“, konstatieren Chen und seine Kollegen. Angesichts der Allgegenwart der Verdunstung in der Natur und der geringen Kosten der benötigten Materialien könnten Verdunstungs-Maschinen durchaus sinnvolle Anwendungen finden, meinen die Forscher. Beispiele wären unter anderem Antriebe für robotische Systeme oder Sensoren.

Quelle:

© wissenschaft.de – Nadja Podbregar
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