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Bioinspirierte Technik

Vorbildliche Baumeister vom Meeresgrund

Filigrane Gitterstrukturen mit erstaunlichen Merkmalen: Die Skelette der Glasschwämme könnten Architekten und Techniker zum Bau optimierter Konstruktionen inspirieren, berichten Forscher. Die spezielle Anordnung der Verstrebungen verleiht dem Biomaterial enorme Stabilität ohne zusätzlichen Materialaufwand, zeigen Experimente. Das System der Glasschwämme ist dadurch bekannten Techniken deutlich überlegen. Es könnte somit beispielsweise den Bau höherer Gebäude, längerer Brücken und leichterer Raumfahrzeuge ermöglichen, sagen die Wissenschaftler.

Wenn wir an Schwämme denken, haben wir etwas Weiches vor Augen. Doch für die sogenannten Glasschwämme gilt das nicht: Ihre Festigkeit verleiht ihnen ein starres Skelett, das aus einem Silikat-Material besteht, das unseren Glasfasern ähnelt. Bereits seit einiger Zeit stehen die filigranen Kolben-Strukturen des sogenannten Gießkannenschwamms (Euplectella aspergillum) im Fokus der Forschung. Die Wissenschaftler interessieren sich dafür, wie die zerbrechlich wirkenden Gebilde den mechanischen Beanspruchungen in der Tiefsee widerstehen können. Die Untersuchungen haben dabei eine interessante Parallele zur menschlichen Bautechnik aufgedeckt: Die Bio-Glasfasern sind in Mustern angeordnet, die Gitterstrukturen ähneln, die verwendet werden, um Stabilität und gleichzeitig Leichtigkeit zu gewährleisten.

Bisheriges System noch nicht ausgereizt

Diese von diagonalen Verstrebungen geprägten Gitterstrukturen werden bei unterschiedlichen Konstruktionen aus Metall eingesetzt. Das System wurde in den frühen 1800-er Jahren von dem Bauingenieur Ithiel Town zur Herstellung stabiler Brücken aus leichten und billigen Materialien entwickelt. „Er etablierte diese einfache und kostengünstige Methode zur Stabilisierung quadratischer Gitterstrukturen, die bis heute verwendet wird“, sagt Matheus Fernandes von der Harvard University in Cambridge. Er und seine Kollegen sind nun der Frage nachgegangen, ob die spezielle strukturelle Anordnung der Skelettstrukturen der Glasschwämme das bisherige Konzept noch weiter optimieren könnte. Vor allem: Gibt es Möglichkeiten der Materialeinsparung bei gleichbleibender Festigkeit?

Wie die Forscher berichten, weist das Design der Glasschwamm-Skelette eine charakteristische Besonderheit auf: Es gibt einen doppelten Satz diagonaler Verstrebungen, die mit dem darunter liegenden quadratischen Gitter verbunden sind. Das System ist so angeordnet, dass sich abwechselnd in einem Quadrat der schachbrettartigen Unterlage eine kleine Raute bildet, die im nächsten Feld fehlt. Im Rahmen der Studie modellierten die Forscher die Merkmale dieses Systems durch Computersimulationen. Außerdem führten sie Belastungstests mit im 3D-Druckverfahren hergestellten Modellen des Glaschwamm-Designs durch sowie mit Vergleichsobjekten, die bisher in der Technik eingesetzte Gittergeometrien aufweisen.

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Erhöhte Stabilität – ohne mehr Materialaufwand

Wie das Team berichtet, übertraf das Jahrmillionen alte Patent der Natur alle technischen Versionen deutlich. „Wir haben festgestellt, dass die diagonale Verstärkungsstrategie der Schwämme die höchste Belastbarkeit für eine gegebene Materialmenge gewährleistet“, sagt Fernandes. Mit anderen Worten: Das Konzept erreicht ein höheres Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht als alle bisher technisch eingesetzten Gitterstrukturen. Konkret ergaben die Untersuchungen, dass die paarweise Diagonalanordnung der Verstrebungen die Gesamtstrukturfestigkeit um mehr als 20 Prozent erhöhen kann, ohne dass zusätzliches Material hinzugefügt werden muss.

Wie die Wissenschaftler erklären, zeichnet sich damit nun enormes Potenzial ab: „Unsere Forschung zeigt, dass die aus der Untersuchung von Schwammskelettsystemen gewonnenen Erkenntnisse genutzt werden können, um Strukturen zu bauen, die geometrisch optimiert sind, um Deformationen zu vermeiden, was enorme Auswirkungen auf eine verbesserte Materialnutzung in modernen Infrastrukturanwendungen hat“, sagt Co-Autorin Katia Bertoldi. Ihr Kollege Fernandes ergänzt dazu: „Indem wir vorhandenes Material innerhalb von Strukturen intelligent neu anordnen, lassen sich stärkere und belastbarere Strukturen bauen“.

Neben Anwendungen in der Architektur zeichnet sich auch Potenzial für den Bau von Strukturen für die Luft- und Raumfahrt ab, sagt Co-Autor James Weaver: „In diesem und in vielen anderen Bereichen ist das Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht einer Struktur von entscheidender Bedeutung. Diese biologisch inspirierte Anordnung könnte zum Vorbild für das Design leichterer, stabilerer Strukturen für ein breites Spektrum von Anwendungen werden“, ist der Wissenschaftler überzeugt.

Quelle: John A. Paulson School Of Engineering And Applied Sciences, Fachartikel: Nature Materials, doi: 10.1038/s41563-020-0798-1

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