Was der Durst texanischer Krötenechsen mit dem Verteilen von Schmierstoffen im Automotor zu tun hat

Die texanische Krötenechse hat eine besondere Fähigkeit: Um ihren Durst zu stillen, muss sie keine Wasserstelle aufsuchen, sondern sie kann Flüssigkeit über die Haut aufnehmen. Mit mikroskopisch kleinen Kanälen zwischen ihren Schuppen sammelt sie kleinste Wassermengen z. B. aus feuchtem Sand. Die feinen Kanäle transportieren das Wasser schließlich zum Maul. Der gerichtete Feuchtigkeitstransport ist eine Anpassung der Echse an einen extrem trockenen Lebensraum.

Forscher der RWTH Aachen haben die Geometrie dieser Kanäle auf der Haut feuchtigkeitserntenden Echsen untersucht und erfolgreich auf Kunststoff- und Metalloberflächen übertragen. Die neuartigen Oberflächenstrukturen ermöglichen es, Flüssigkeiten passiv und energieneutral in eine Richtung zu transportieren – sogar entgegen der Schwerkraft.

Konservierte Krötenechsen geben Geheimnis preis

Für die eigentlichen Untersuchungen nutzten die Forscher konservierte Krötenechsen. Mit einer Hightspeed-Kamera analysierten sie, wie sich Wasser auf der Haut der Echsen ausbreitet. Dabei entdeckten die Aachener, dass sich ein Wassertropfen sehr viel schneller in Richtung Maul ausbreitet, als in andere Richtungen.

Biologe Philipp Comanns hat festgestellt, dass zwischen den einzelnen Echsen-Schuppen kleine Kanäle verlaufen. Die sind so klein, dass sie eine kapillare Wirkung haben, also das Wasser passiv, ohne aktive Kräfte transportieren. Das besondere an den Kanälen: sie werden in Richtung Maul immer enger. Und.: es gibt Kreuzungspunkte zwischen den Kanälen, die auf eine ganz bestimmte Art und Weise arrangiert sind, damit das Wasser schlussendlich gerichtet zum Maul transportiert wird.

Mikrokanäle werden zum Maul immer enger

Wie schnell und zielgerichtet sich das Wasser durch die Kanäle bewegt, zeigt ein Experiment mit gefärbtem Wasser. Taucht man den Fuß einer konservierten Echse in das blaue Wasser ein, verteilt es sich blitzschnell vom Fuß über den Ellenbogen in Richtung Kopf  und fließt zügig zum Maul.

Die besondere Herausforderung: Die winzigen Haut-Strukturen zu analysieren und dann auf eine Metall- oder Plexiglasoberfläche zu übertragen. Größe, Geometrie sowie Nano- und Mikrotopografie müssen exakt übertragen werden, sonst funktioniert der Flüssigkeitstransport nicht.

Nachbau der Echsenhaut ist keine Kopie

Die Forscher setzen dabei auf eine selbst entwickelte Software, die die biologischen Strukturen exakt erfasst. Später wird diese Struktur per Laserstrahl auf eine künstliche Oberfläche übertragen. Tests zeigen, dass die künstliche Oberfläche, ähnlich – oder sogar besser – wie die Echsenhaut funktioniert und Wasser und andere Flüssigkeiten passiv und zielgerichtet transportiert.

Vergleicht man die künstliche Struktur allerdings unter dem Elektronenmikroskop mit der Originalstruktur der Echsenhaut, stellt man große Unterschiede fest.

Philipp Comanns: „ Die Unterschiede zwischen der Echsenhaut und unserem Nachbau sind gewollt. Denn wir wollten die Echsenhaut nicht 1:1 kopieren. Es ging nicht darum eine neue Echsenhaut zu schaffen. Sondern wir wollten die zugrunde liegende Funktion übertragen. Unsere technische Struktur ist deshalb viel abstrakter. Die Echsenhaut ist ein Kompromiss, sie muss ganz viele Eigenschaften abdecken. Und wir haben eine einzige Eigenschaft rausgegriffen und uns auf die Transporteigenschaften von Flüssigkeiten konzentriert. Nur diese Funktion haben wir uns angeschaut und auf die Oberflächenstruktur übertragen.“

Einsatz im Motor oder im Kühlschrank

Anwendungsmöglichkeiten für ihre künstliche Echsenhaut sehen die Wissenschaftler viele, denn der passive, gerichtete Transport von Flüssigkeiten oder Schmiermitteln ist bei vielen technischen Prozessen nützlich. So könnte man die künstliche Echsenhaut in ein paar Jahren z.B. für die besser Schmierung von Motoren nutzen. Das Schmiermittel bleibt im Betrieb des Motors immer exakt dort, wo es auch gebraucht wird und verteilt sich nicht unnötig im Motorraum.. Und auch nach längerem Stillstand des Motors ist das Schmiermittel dank der Kapillarwirkung der künstlichen Echsenhaut noch dort, wo es beim Starten des Motors sofort benötigt wird, was den Verschleiß des Motors verringert.

Oder man nutzt die künstliche Echsenhaut zum Abtransport von Kondenswasser aus dem Kühlschrank. Ein zu dicker Wasserfilm auf der Kühlschrank-Innenwand verbraucht viel Energie. Wird das Kondenswasser kontinuierlich durch die Kanäle der künstlichen Echsenhaut abgeführt, arbeitet der Kühlschrank viel effizienter.

Links / Quellen

Flüssigkeitstransport auf Krötenart
Projekt Zukunft

Echsenhaut als Vorbild, Deutsche Welle, Indonesische Redaktion
http://www.dw.com/id/bionik-meniru-kulit-kadal/av-18786438

Wie Echsen trinken: Bionische Oberflächen für technische Bauteile
http://www.ipt.fraunhofer.de/de/presse/Pressemitteilungen/20121028biolasexe.html

Über die Haut zum Maul: So stillen Echsen ihren Durst
www.tec2.biz/ueber-die-haut-zum-maul-so-stillen-echsen-ihren-durst/

Von trinkenden Echsen zum gezielten Transport von Schmiermitteln
www.biokon.de/news-uebersicht/von-trinkenden-echsen-zum-gezielten-transport-von-schmiermitteln/

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