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Umwelt+Natur

Raffiniertes Natur-Patent

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Unter dem Rasterelektronenmikroskop werden die rauen Schuppen des Hais sichtbar. Bild: Andrea Lauterbach, EBU, Australian Museum, Sydney
Die sensationellen Strömungseigenschaften von Haien beruhen auf komplexeren Effekten als bisher gedacht. Forscher konnten jetzt zeigen, dass beim Konzept der Natur offenbar erst die Kombination zweier Faktoren zum Erfolg führt: speziell geformte Hautschuppen und ein flexibler Körper. Der volle Effekt dieses Systems lässt sich offenbar bisher nicht kopieren – künstliche Materialien etwa für Hightech-Schwimmanzüge, die die Eigenschaften der Haihaut imitieren, erzeugen geringe oder gar keine positiven Effekte, zeigten die Experimente.

Jahrmillionen der Evolution haben Haie zu blitzschnellen Unterwasser-Räubern gemacht. Die entsprechend ausgefeilten Strömungseigenschaften ihrer Körper würden sich auch Menschen gerne für die verschiedensten Anwendungen zunutze machen. So untersuchen Forscher und Ingenieure schon seit einiger Zeit die Geheimnisse hinter den Eigenschaften der Haihaut. Dabei offenbarte sich schnell, dass nicht etwa eine möglichst glatte Oberfläche die Bewegungseigenschaften im Wasser verbessert, sondern das Gegenteil: Die Haut von Haien ist rau wie Sandpapier ? besetzt mit zackigen Schuppen, die nur einen Bruchteil eines Millimeters lang sind. Durch diese Strukturen entstehen komplexe Effekte, die letztendlich die Strömungs-eigenschaften eines Körpers im Wasser positiv beeinflussen. Entwickler haben deshalb bereits versucht, dieses Konzept auf künstliche Materialien zu übertragen. Doch die Mechanismen hinter dem ?Hai-Effekt? sind offenbar komplexer als gedacht, zeigen nun die Untersuchungen von Johannes Oeffner und George Lauder von der Harvard University. Ihre Experimente führten die Forscher mit verschiedenen Versuchsobjekten in einem Tank mit fließendem Wasser durch. So erfassten sie Daten über die Strömungseigenschaften diverser Oberflächen. In ihre Studie schlossen die Forscher auch Objekte ein, die mit einem künstlichen Material überzogen waren. Es wird bereits bei der Herstellung von Schwimmanzügen verwendet, denen der Hersteller einen Hai-Effekt zuschreibt. Das Material ahmt die Schuppenstruktur der Haifischhaut dabei in einem speziellen Webmuster nach. Eine weitere künstliche Oberfläche im Test besaß eine regelmäßige wellenförmige Oberflächenstruktur. Für die Experimente mit dem ?Natur-Patent? besorgten sich die beiden Wissenschaftler Haihaut auf einem Fischmarkt in Boston. Im Labor befestigten sie diese auf Körpern mit einer starren Aluminiumoberfläche und testeten die Strömungseigenschaften. Im nächsten Schritt entfernten die Forscher nun die feinen Schuppen von der Haihaut auf den Versuchsobjekten, um zu testen wie sich anschließend die Eigenschaften im fließenden Wasser veränderten. Paradoxer Bremseffekt Bei der Untersuchung der mit Haihaut überzogenen Objekte kamen die Forscher zu einem paradox erscheinenden Ergebnis: Nachdem sie die Schuppen entfernt hatten, verbesserten sich die Strömungseigenschaften ? die Versuchsobjekte mit der Originalhaihaut besaßen also unter den Testbedingungen einen höheren Wasserwiderstand. Als mögliche Ursache für diesen Effekt vermuteten die Forscher die Starrheit der Versuchskörper, denn im Unterschied zu diesen ist ein Haifisch ein äußerst flexibles Gebilde. Oeffner und Lauder wiederholten dann ihre Untersuchungen mit weichen Versuchsobjekten. Sie klebten dazu zwei Haifischhäute aufeinander, um ein flexibles Versuchsobjekt zu erhalten. Die Tests ergaben nun, dass die Strömungseigenschaften der Versuchsobjekte mit Schuppen um 12,3 Prozent besser waren als bei einem flexiblen Versuchsobjekt mit zwei Haifischhäuten ohne die typische Zähnchenstruktur der Oberfläche. Somit können die Schuppen ihren Effekt offenbar nur auf einem flexiblen Untergrund entfalten, schließen die Forscher. Vergleiche der Strömungseigenschaften von Versuchsobjekten, die eine Oberfläche aus dem künstlichen Web-Material besaßen, offenbarten dagegen in jedem Fall, dass es nicht halten kann, was es verspricht: Der Stoff mit dem angeblichen ?Hai-Effekt? verlieh weder auf einer starren Oberfläche noch in flexibler Form bessere Strömungseigenschaften, zeigten die Untersuchungen. Flexible Versuchsobjekte mit der künstlichen Oberfläche, die durch Wellenstruktur die Hai-Haut imitiert, erbrachten dagegen immerhin einen positiven Effekt von 7,2 Prozent. Weitere Analysen mittels Laserlicht machten bei den flexiblen Objekten aus der Originalhaifischhaut feine Wasserverwirbelungen sichtbar, die dem Hai-Effekt vermutlich im wörtlichen Sinne Schub verpassen: „Unsere Ergebnisse legen nahe, dass die flexible Haifischhaut eine Niederdruck-Zone erzeugt, die das Objekt gewissermaßen nach vorne saugt?, erklärt Lauder. Diesem Effekt wollen die Forscher nun weiter nachgehen.

Johannes Oeffner und George Lauder (Harvard University): The Journal of Experimental Biology, doi: doi:10.1242/jeb.063040 © wissenschaft.de ? Martin Vieweg
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