Bruchfestes Skelett Glas-Schwamm inspiriert Ingenieure

Ein kleiner Tiefseeschwamm zeigt Architekten, wie man selbst aus Glas bruchsichere Strukturen bauen kann. Neue, faszinierende Bilder zeigen, dass der Gießkannenschwamm gleich mehrere raffinierte Verfahren kombiniert, die auch in menschlichen Behausungen Verwendung finden.


Gießkannenschwamm: Bruchsicheres Glasskelett
Lucent Technologies/Bell Labs

Gießkannenschwamm: Bruchsicheres Glasskelett

"Das Skelett dieses Geschöpfs ist ein Lehrbuchbeispiel für Ingenieurwesen", sagt Joanna Aizenberg von den renommierten Bell Labs in den USA. "Die Natur hat einen Weg gefunden, brüchige Materialien zu perfektionieren." Die Grund für das überschwängliche Lob hat einen Namen: Euplectella, eine Tiefseeschwamm-Gattung mit einem gläsernen Skelett, das dank seiner raffinierten Struktur selbst dem ungeheuren Druck in Tausenden Metern Wassertiefe widersteht.

Die Wissenschaftler der Bell Labs haben zusammen mit Kollegen des Max-Planck-Instituts für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam einen präzisen Blick in das Skelett des Gießkannenschwamms geworfen, das dank seiner Form auch Venusblumenkörbchen genannt wird. Die teils verblüffenden Ergebnisse könnten Architekten und Materialforschern zu neuen Techniken verhelfen, schreiben Aizenberg und ihre Kollegen jetzt im Fachblatt "Science".

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Geniale Natur: Das Glasskelett des Tiefseeschwamms

Bei den Untersuchungen stellte sich heraus, dass die Schwämme mit einem Glasskelett eine ganze Reihe von Tricks benutzen, um das spröde Material stabil zu machen. Die Glaskäfige besitzen nicht weniger als sieben Ebenen strukturellen Aufbaus, die teilweise bis in den Nanometer-Bereich hineinreichen.

Der Gießkannenschwamm ähnelt einem weißen Kolben voll feiner Löcher, die Larven einer bestimmten Garnelenart ins Innere gelangen lassen. Meist siedeln sich dort Pärchen an, die dann rasch zu groß werden, um wieder ins Freie zu gelangen. Das Krabbenpaar verbringt deshalb sein ganzes Leben in dem bis zu 15 Zentimeter langen Gerüst, das in Japan deshalb auch "Gefängnis der Ehe" genannt wird - und ein beliebtes Hochzeitsgeschenk ist.

Bruchsichere Lichtleiter

Die Grundstruktur des Skeletts besteht aus winzigen nadelartigen Fäden, die etwa so dick sind wie ein menschliches Haar. Diese Bio-Glasfasern sind wiederum aus konzentrisch angeordneten Glasschichten von wenigen Mikrometern Dicke aufgebaut, die von einer hauchdünnen Klebeschicht aus organischer Matrix zusammengehalten werden. Bei Ätzungen zeigte sich, dass das Glas selbst beim Aneinanderfügen von Silikat-Nanopartikeln entsteht. Nanopartikel, Lamellen und Fasern bilden die ersten drei hierarchischen Ebenen der komplexen Konstruktion.

Schon 2003 hatte ein Team um Aizenberg gezeigt, dass die Fasern nicht nur hervorragend Licht leiten, sondern auch extrem bruchsicher sind. Die Erkenntnisse führten damals zu einer Verbesserung der kommerziellen Herstellung von Glasfaserkabeln.

Bündel aus vielen dieser Fasern unterschiedlicher Stärke bilden die vierte Ebene. Glaszement verwandelt sie in starke Verstrebungen, die vertikal, horizontal und diagonal zu einem lockeren Netz verwoben sind. Das Netz erinnert an Fachwerk und bildet die fünfte Ebene des Aufbaus. Die diagonalen Verstrebungen reichen aus, um das Fachwerk gegen Scherkräfte zu versteifen - ein Prinzip, das auch in menschlichen Bauwerken regelmäßig verwendet wird.

Überleben unter hohem Druck

Zusätzlich ist die Struktur durch spiralförmige Rippen verstärkt - die sechste Ebene. Sie verhindert, dass der Käfig durch die mechanischen Belastungen in der Tiefsee - die Schwämme leben bis zu 5000 Meter tief im Pazifik - Schaden nimmt. Die letzte hierarchische Ebene ist die geschwungene Form des Käfigs selbst, der sich nach unten verjüngt und mit dünnen Glasfäden im Meeresboden verankert ist.

Durch die Kombination der sieben Ebenen entsteht ein nahezu unzerbrechlicher Käfig, schreiben die Wissenschaftler. Einige der Bauprinzipien werden bereits seit langem von Menschen verwendet. Die Faseranordnung von Euplectella ähnelt verblüffend einigen berühmten Bauwerken wie etwa dem Eiffelturm in Paris, dem Swiss Re Tower in London und dem Hotel De Las Artes in Barcelona.

Rätselraten über Kunstfertigkeit eines Schwammes

"Wirklich erstaunlich ist jedoch der Umstand, dass es dem Schwamm gelingt, eine ganze Reihe von mechanischen Konstruktionsprinzipien zu kombinieren und gleichzeitig einzusetzen", heißt es in einer Mitteilung des Potsdamer Max-Planck-Instituts. Menschen hätten Ähnliches noch nicht zustande bekommen - und könnten deshalb wertvolle Lehren aus der Kunstfertigkeit der Schwämme ziehen.

"Das alles zeigt, dass die Natur oft einfache Lösungen für komplexe Probleme findet", sagte Elsa Reichmanis, Leiterin der Materialforschung bei den Bell Labs. "Diese Schwämme sind perfekt geformt und besitzen exakt die richtige Menge an Material für eine optimale Konstruktion."

Sein vielleicht wichtigstes Geheimnis hat der Tiefseeschwamm allerdings nicht preisgegeben: wie es einem doch recht primitiven Organismus gelingt, eine derart komplexe Konstruktion überhaupt zu erschaffen.



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