Neuinterpretation von Aero- und Fluiddynamik durch den Glas-Schwamm Venusblumenkorb

Glas-Schwämme, die häufig in der Tiefsee vorkommen, gehören zur Klasse Hexacitinellida. Sie erhalten ihren Namen von ihren Geweben, die glasartige strukturelle Partikel aus Siliziumdioxid bilden. 

Das Skelett von Glas-Schwämmen ist ein evolutionärer Mechanismus, der ihnen hilft, Tiefsee-Raubtiere zu bekämpfen, indem sie sich von Natur aus organisch mit verschiedenen Chemikalien verbinden. 

Zweifellos hochentwickelt, erhalten sich Glas-Schwämme, indem sie an harten Oberflächen haften und kleine Bakterien sowie Plankton, das aus dem umgebenden Wasser gefiltert wird, verzehren. 

Einige Arten können deutlich große Spikulä erzeugen, die ein Glashaus bilden, indem sie sich zu schönen Mustern verbinden. Diese Skelettstrukturen amüsieren Wissenschaftler häufig, da sie auch nach dem Tod des Schwamms weiterleben, und mehrere Tiefsee-Tiere nutzen diese Strukturen als ihre Heimat!

Der bekannteste Glas-Schwamm

Unter allen tief lebenden Glas-Schwämmen ist der Venusblumenkorb, eine Art der Gattung Euplectella, besonders bekannt. Er hat sich so weit entwickelt, dass sein Skelett eine bestimmte Krebstierart lebenslang darin gefangen hält. Diese Krebstiere reproduzieren sich, und ihre Nachkommen suchen eigene neue Blumenkörbe. Typischerweise dienen diese Schwämme oft als lebenslange Heimat für zwei kleine, garnelenähnliche Stenopodidea, ein Männchen und ein Weibchen. 

Dieses Merkmal, als natürlicher Wohnraum für Tiefsee-Kreaturen zu dienen, hat den Venusblumenkorb-Glas-Schwamm stets zu einem faszinierenden Tier gemacht. Diese Neugier hat Forscher nun dazu geführt, ein weiteres bemerkenswertes Merkmal dieser Tiere zu entdecken: ihre Fähigkeit, ohne Pumpen zu filtern.

Natürliche ‘Nullenergie’-Strömungssteuerung durch den Venusblumenkorb-Schwamm

Eine der erstaunlichen Fähigkeiten, mit denen diese uralten Tiere geboren werden, ist ihre Fähigkeit, ohne Pumpen zu filtern, wobei sie ausschließlich auf die schwache Umgebungsströmung der Ozeantiefe angewiesen sind. Aber wie ist das möglich? Das haben ein Forscherteam der Universität Rom Tor Vergata und der NYU Tandon School of Engineering untersucht. Mit extrem hochauflösenden Computersimulationen analysierten sie die Skelettstruktur des Venusblumenkorb-Schwamms. Die Ergebnisse waren, gelinde gesagt, verblüffend. Zudem birgt es ein erstaunliches Potenzial für zahlreiche ingenieurtechnische Anwendungen. 

„Unsere Forschung löst eine Debatte, die sich in den letzten Jahren entwickelt hat: Der Venusblumenkorb-Schwamm könnte in der Lage sein, Nährstoffe passiv aufzunehmen, ohne einen aktiven Pumpmechanismus. Es ist eine unglaubliche Anpassung, die diesem Filtrierer ermöglicht, in Strömungen zu gedeihen, die normalerweise für das Schwebefiltern ungeeignet sind.“

Im Wesentlichen nutzen diese Glas-Schwammtiere ihre einzigartige Skelettstruktur, um die ultraschlauen Strömungen der Tiefsee umzuleiten und den Fluss nach oben in ihre zentrale Körperhöhle zu lenken. Dieser Mechanismus filtert Plankton und andere marine Detritus aus dem Meerwasser, das die Schwämme als Nahrung verwenden. Die spiralförmige, gerippte Außenfläche der Skelettstruktur des Schwamms funktioniert wie eine Wendeltreppe und zieht das Wasser durch sein poröses, gitterartiges Gerüst nach oben, ohne dass Energie zum Pumpen nötig ist.

Die bemerkenswerteste Eigenschaft des Glas-Schwamms ist seine natürliche Belüftung, die in der nahezu Stillstand der tiefen Ozeanböden perfekt funktioniert. Dies ist, wie sich diese Tiefsee-Arten entwickelt haben, indem sie sich an die raue Umgebung anpassen und passiv Nahrung bei einer extrem langsamen Strömung aufnehmen. 

„Der Schwamm hat eine elegante Lösung gefunden, um die Nährstoffversorgung zu maximieren, während er ausschließlich durch passive Mechanismen arbeitet.“

Diese erstaunlichen Erkenntnisse zu erreichen war nicht einfach. Es dauerte mehrere Jahre, bis die Forscher geeignete Einrichtungen gebaut hatten, um das Phänomen bis ins kleinste Detail zu verstehen.

Die Einrichtungen, die der Forschung zum Erfolg verhalfen 

Die Forscher nutzten den Leonardo-Supercomputer bei CINECA, einem gemeinnützigen Konsortium, das das größte italienische Rechenzentrum beherbergt und zu den wichtigsten weltweit zählt. 

Dieser leistungsstarke Supercomputer half den Forschern, ein lebensechtes 3D‑Modell des Schwamms zu entwickeln, mit einhundert Milliarden einzelnen Punkten, die die komplexe, helikale Rippelstruktur des Schwamms nachbilden. Leonardos enorme Rechenleistung ermöglichte es, Quadrillionen von Berechnungen pro Sekunde durchzuführen und ein breites Spektrum an Wasserströmungsgeschwindigkeiten und -bedingungen zu simulieren.

Laut den beteiligten Forschern könnten die Ergebnisse der Studie zu vielen innovativen ingenieurtechnischen Lösungen führen. Im Folgenden fassen wir einige dieser innovativen Ideen zusammen. 

Klicken Sie hier, um zu erfahren, wie es möglich ist, Licht mit Hilfe von Blattkäfern zu manipulieren.

Das reale Anwendungspotenzial der Forschung

Der Vorläufer dieser Forschung, die wir diskutieren, ist eine 2021-Studie, die vom selben Team durchgeführt wurde. In dieser Forschung untersuchte das Team speziell, wie der Venusblumenkorb-Schwamm künstliche Strukturen verbessern könnte. Das Team glaubte, dass die Untersuchung der Rolle der Schwammgeometrie bei der Reaktion auf Flüssigkeitsströmungen zahlreiche Implikationen für das Design von Hochhäusern und mechanischen Strukturen einer breiten Vielfalt hat, einschließlich Wolkenkratzer, niederwiderstands‑Neustrukturen für Schiffe und sogar Flugzeugrümpfe.

„Wird es bei Hochhäusern, die mit einer ähnlichen Gitterstruktur aus Rippen und Löchern gebaut werden, weniger aerodynamischer Widerstand geben? Wird die Verteilung der aufgebrachten Kräfte optimiert?“

Die aktuelle Forschung, die tiefer in die biometrischen Ingenieuraspekte des Glas‑Schwamms eindringt, könnte helfen, effizientere Reaktoren mit optimierten Strömungsmustern und reduziertem äußeren Widerstand zu entwerfen.

Die Nachahmung der inneren Konstruktionsprinzipien der gerippten und porösen Oberflächen des Glas‑Schwamms könnte die Luftfiltrations‑ und Belüftungssysteme in Wolkenkratzern und anderen Strukturen verbessern. Die asymmetrischen, helikalen Rippen, könnten beispielsweise niederwiderstands‑Rümpfe oder Rümpfe von Flugzeugen inspirieren, die stromlinienförmig bleiben und gleichzeitig den Innenluftstrom fördern.

Von 2021 bis 2024 setzte die Forschung zu Venusblumenkorb‑Schwämmen fort, ständig aufdeckend, wie dieses bio‑technische Wunder mehr reale Anwendungen inspirieren könnte. 

Die Nutzung der Natur als Design‑Inspiration für ihre Produkte hat vielen Unternehmen geholfen, die Effizienz zu steigern und Optimierungen einzuführen. 

#1. Bionische Autos von Mercedes Benz

Im März 2024 erklärte Mercedes Benz, während es die Designphilosophie hinter einem seiner neuesten Modelle, Vision EQXX, erläuterte, Folgendes zu sagen:

„Wenn es um Leichtbau geht, ist die Natur nach wie vor das beste Vorbild: Von Kugelfischen bis zur arktischen Seeschwalbe – viele Tiere haben optimale Körperformen und weitere Fähigkeiten entwickelt, die es ihnen ermöglichen, ihre Zugrouten mit minimalem Energieaufwand zu bewältigen. Maximale Effizienz war auch das Leitprinzip des Technologieprogramms, das den VISION EQXX hervorgebracht hat – weshalb Teile der Fahrgestellstruktur auf natürlichen Formen und bionischen Designprinzipien basieren.“

Das Unternehmen hat seine bio‑inspirierte Materialnutzungsphilosophie den Bionicast‑Prozess genannt. Dieser Ansatz befürwortet die Verwendung von Material nur dort, wo die Lastpfade erforderlich sind. Infolgedessen besitzen die bionischen Elemente eine ständig variierende Wandstärke und Öffnungen, die einem Skelett ähneln. 

Das Unternehmen ist der Ansicht, dass die bio‑inspirierte Designphilosophie zu einem Produkt geführt hat, das hochfunktional und kompakt ist, mit deutlich reduziertem Gewicht. Beispielsweise haben bionische Designs auf dem hinteren Boden des Autos allein 15‑20 % an Gewicht und Material eingespart. Auch die Scheibenwischermotorhalterung weist einen Gewichts­vorteil von 20 % auf.

Das Mercedes‑Benz Bionic‑Auto, bekannt für seine hervorragende Aerodynamik, wurde im Juni 2005 in Washington, DC, vorgestellt. Seitdem hat es sich weiterentwickelt und bleibt in der Automobilgemeinschaft relevant und prominent. Der innovative Entwicklungsprozess von BIONICAST gewann 2022 den Material Design + Technology Award in der Kategorie „Best of Process“. Bis 2039 will Mercedes Benz, unterstützt durch die Prinzipien des reduzierten Ressourcenverbrauchs und das leichte Konstruktionspotenzial von Bionicast, das übergeordnete Ziel der Netto‑Kohlenstoffneutralität entlang der gesamten Wertschöpfungskette seiner neuen Fahrzeugflotte erreichen.

Im Jahr 2023 meldete Mercedes Benz einen Umsatz von 153,2 Milliarden Euro, ein Anstieg von 3,2 Milliarden Euro gegenüber dem Umsatz von 150 Milliarden Euro im Jahr 2022. Das Unternehmen verzeichnete ein EBIT von 19,7 Milliarden Euro, und sein EPS lag bei 13,46 Euro. 

#2. Biohm

Biohm, ein mehrfach preisgekröntes Forschungs‑ und Entwicklungsunternehmen, glaubt an die Philosophie, „der Natur zu erlauben, Innovation zu führen“. Als Mission hat das Unternehmen das Ziel, „kulturelle und natürliche Systeme durch die verantwortungsvolle Lizenzierung bahnbrechender, skalierbarer Biotechnologien zu harmonisieren“.

Eine der Vorzeige‑Technologien von Biohm nutzt die Kraft von Myzel – dem vegetativen filamentösen Wurzelgeflecht von Pilzen. Das Unternehmen verwendet diese Technologie, um hochwirksame und leistungsstarke Lösungen bei der Entwicklung anspruchsvoller Komponenten wie Partikelfasern, faserverstärkte Verbundstoffe, monolithische Materialien und polymerähnliche monolithische Materialien zu produzieren. Diese eignen sich hervorragend für den Einsatz in den Bereichen Bauwesen, Konsum‑ oder Einzelhandelsprodukte, spezialisierte Verpackungen, Innenausstattungen, Möbelstücke und Mode.

Durch seine ‘Orb’-Technologie wandelt Biohm einige der am schnellsten wachsenden ‘Abfallströme’ – Lebensmittel‑ und Agrarabfälle – in wertvolle und funktionale Hochleistungserzeugnisse um. Diese Produkte können zu Platten geformt und zu komplexen 3‑D‑Formen sowie 3‑D‑gedruckten Produkten gegossen werden.

Zusätzlich bietet Biohm ein vorgefertigtes Bausystem an, das keine permanenten Bindemittel oder Befestigungen erfordert und robuste, hochwertige Strukturen schafft. Inspiriert von der mathematischen Geometrie der Kohlenstoff‑Molekülbindungen, kann dieses System die Umweltbelastung, die Kosten und die Bauzeit eines Gebäudes um 120 %, 70 % bzw. 95 % reduzieren.

In einem seiner bahnbrechenden Bioremediation‑Projekte entwickelte Biohm in Zusammenarbeit mit Waitrose & Partners und Power To Change vier Myzel‑Stämme, die Kunststoffe, einschließlich Polyurethan (PU), Polyethylen (PE), Polystyrol (PS) und Polyester (PET), verzehren können. Durch die Nutzung dieser myzelzentrierten Technologie können Kunststoffe in Zucker, harmlose Kohlenwasserstoffe und Kohlendioxid zerlegt werden. Das Myzel verzehrt die Zucker und Kohlenwasserstoffe, während das Kohlendioxid durch photosynthetische Organismen in Sauerstoff umgewandelt wird.

Laut Branchen­schätzungen hat das Unternehmen bisher eine Finanzierung von 1,73 Millionen US‑Dollar erhalten. (MBG.DE )

Die Zukunft der bio‑inspirierten Aero‑ und Fluiddynamik

Die Neuinterpretation von Aero‑ und Fluiddynamik, inspiriert von der Natur, hat Forscher weltweit motiviert. Am Bio‑Inspired Flight Lab der Universität Bristol, geleitet von Dr. Shane Windsor, untersuchten die Forscher eine Reihe von Sensor‑ und Steuerungsaspekten des Tierflugs und wie diese die entwickelten Technologien verbessern könnten, insbesondere die Funktionsweise von kleinen, unbemannten Luftfahrzeugen (UAVs).

Eine der größten Marken der Welt, Lockheed Martin (LMT ), ließ sich von den Herculeskäfern des tropischen Mittel- und Südamerikas inspirieren, um organisch zu verdunkeln oder aufzuhellen, um den täglich wechselnden Farbton des umgebenden Regenwaldes anzupassen. Forscher bei Skunk Works glauben, dass die Nachahmung dieser Eigenschaft die Herstellung von Verbundflugzeugteilen verbessern könnte, indem sie sensorbasierte Komponenten entwickeln, die Techniker alarmieren, wenn eine komplexe Struktur den richtigen Feuchtigkeitsgrad erreicht hat, um zum nächsten Fertigungsschritt überzugehen.

Laut Thomas Koonce, dem Verantwortlichen für das Revolutionary Technology Portfolio von Skunk Works, „Farbwechsel‑Sensoren wären eine schnelle, kostengünstige und zuverlässige Methode, um zu bestimmen, ob die Bedingungen für die Fertigung korrekt sind.“ Koonce bezeichnet dies als eine ‚kostengünstige, arbeitsarme Lösung‘.

Am NASA Glenn Research Center in Ohio haben die Schnurrhaare von Seehunden den Forscher Vikram Shyam dazu inspiriert, turbinenblätter mit geringem Widerstand für das Advanced Air Transport Technology Project zu entwerfen, das bahnbrechende Energieeffizienz für Starrflügelflugzeuge anstrebt.

Ähnlich hat Isaiah Blankson, ein leitender Technologe am NASA Glenn Research Center in Ohio, sich von der akrobatischen Präzision schwimmender Pinguine inspirieren lassen, um das Low‑Boom Flight Demonstration‑Programm zu entwickeln, das versucht, Überschallknalle durch aerodynamische Formgebung zu verringern.

Die Inspiration aus der Natur hat den Menschen enorm geholfen, ihre aero‑ und fluiddynamischen Lösungen zu verbessern. Die Weisheit der Natur und des Tierreichs, über hunderttausende Jahre evolutionärer Praktiken und Überlebensstrategien geschärft, bietet ein reiches Wissen für bessere ingenieurtechnische Lösungen, die effizient, kostengünstig und nachhaltig sind.

Klicken Sie hier, um zu erfahren, wie die Robotik von der Natur inspiriert wird.