Forschung

Bionik: Der Krebs, der Plasma kann

22.05.2019 - Überlegene Erzeugung von Unterwasserplasmen erstmals im Labor nachgestellt.

Es ist eigentlich eine außer­gewöhnliche Art des Beute­fangs: der über­wiegend in tropischen Korallen­riffen beheimatete Pistolen­krebs erzeugt mit seiner über­dimen­sionier­ten Schere laute Knall­geräusche. Die daraus entstehende Druck­welle kann kleine Krabben, Würmer oder Krebse betäuben. So werden sie zur leichten Beute für den schlechten Schwimmer, der diese in der Natur einzig­artige Taktik auch als Waffe gegen größere Tiere einsetzt.

Das dieser Jagd­methode zugrunde liegende physikalische Phänomen heißt Kavitation. Eine durch schnelle Bewegungen erzeugte Drucker­höhung senkt die Siede­temperatur in Flüssig­keiten – in diesem Fall Wasser – so weit herab, dass Dampf­blasen in ihr entstehen. Die Kavitations­blase nimmt aufgrund der größeren räumlichen Aus­dehnung der Gasphase mehr Raum ein als die sie verursachende Wasser­menge. Kühlt sie ab, kondensiert das Wasser und die Blase fällt abrupt in sich zusammen. Das umliegende Wasser strömt schlagartig in den freigewordenen Raum und löst dabei eine Druck­welle mit hohen Druck­spitzen aus, die – wie beim Ultraschall­bad gewünscht – Material reinigen, oder – wie in der Schiff­fahrt gefürchtet – Material beschädigen kann.

Der Pistolen­krebs produziert diese Kavitations­blase, indem er seine Schere kraftvoll und schnell schließt und dadurch einen extrem schnellen Wasser­strahl ausstößt. Dabei schützt die im Laufe der Evolution hervorgegangene Morphologie die Schere selber vor Verletzungen durch Kavitation, indem der Winkel zwischen Ausstoß­richtung des Wassers und Rotations­ebene der Stempels von ungefähr 25° beträgt. Die Kavitationsblase bildet sich so in ausrei­chen­dem Abstand vor der geschlossenen Schere.

Mit dieser Methode erzeugt der Pistolenkrebs jedoch nicht nur Schall mit einem Pegel von 250 dB – er kann auch Plasma. Der Verdichtungsprozess beim Kavitations­aufbau ist so intensiv, dass Gase innerhalb der Kavitations­blase ausreichend hohe Temperaturen erreichen, um Plasma- und Licht­emissionen hervorzurufen.

Und dabei zeigt sich, dass die Natur Plasma in Flüssigkeiten effizienter erzeugen kann als es vom Menschen entwickelte Geräte können. Unter Verwendung additiver Fertigungs­methoden ist es nun einer Forscher­gruppe der Texas A & M University gelungen, die Schere eines Pistolen­krebses nachzubauen und den Mechanismus der Schall- und Plasma­erzeugung im Labor nachzustellen.

Computer­tomo­graphische Aufnahmen der Original-Krebs­schere gaben Informa­tionen zum Bau der Schere, die im 3D-Druck­verfahren fünffach vergrößert hergestellt wurde. Eine eigens entwickelte Feder­halterung gewährleistet, dass die Schere mit entsprechender Kraft und Geschwin­digkeit betätigt werden kann, um den gewünschten Hoch­geschwindig­keits-Wasser­strahl zu erzeugen, der der Kavitations- und Reynoldszahl des von den Krebsen erzeugten Strahls ent­spricht. Die mit dieser Vor­richtung erzeugten Licht­emissionen und Druck­­wellen wurden aufgezeichnet. Im Gegensatz zu lebendigen Pistolen­krebsen, die auf Meer­wasser­bedingungen angewiesen sind, ermöglicht die künstliche Pistolen­krebs­schere Unter­suchungen zur Schall- und Plasma­erzeugung in verschie­densten Flüssig­keiten und unter Zugabe von Gasen. Experimente mit Salz- sowie destilliertem Wasser, unter Zugabe von Luft oder Argon zur Erhöhung der Plasma­aktivität wurden bereits durchgeführt.

Die Ergebnisse zeigen, dass die Schall- und Plasma­erzeugungs­technik der Krebse mit der künstlichen Schere reproduziert wird, aber auch, dass die natürliche Generation des Unter­wasser­plasmas effizienter ist als die bisher techno­logisch realisierten Methoden.

So sehen Tang und Stack denn auch noch Entwicklungs­potential in ihrer Apparatur, die zukünftig auch für ver­schie­denste Anwendungen eingesetzt werden soll. So können mit dieser Methode beispielsweise Gesteine zertrümmert werden, was von der Nieren­stein­entfernung bis hin zu geo­logischen Bor­vor­gängen eine interessante Verstärkung bestehender Verfahren in Aussicht stellt. Auch bei der plasma­gestützten Her­stellung von Nano­partikeln aus Lösungen kann das Pistolen­krebs-Verfahren mit der Bereit­stellung kleiner Plasma­phasen neue Möglichkeiten eröffnen.

TAMU / LK

Weitere Infos

Weitere Beiträge

Newsletter

Die Physik in Ihrer Mailbox – abonnieren Sie hier kostenlos den pro-physik.de Newsletter!

Funktionsprinzip einer HiPace Turbopumpe in 3D


HiPace Turbopumpen eignen sich für höchste Anforderungen unter anderem in der Fusionsforschung, Elementarteilchenphysik oder Laseranwendung.

Erfahren Sie mehr über die HiPace Turbopumpen

Korrosion und Korrosionsschutz modellieren - Whitepaper

Korrosion verursacht erhebliche Schäden. Die Modellierung und Simulation mit hochgenauen 1D-, 2D- und 3D-Modellen können zum Verständnis von Korrosion und Korrosionsschutzprozessen beitragen, wie das Whitepaper zeigt.

Whitepaper lesen!

Die Turbopumpe mit hoher Kompression, speziell für leichte Gase.

Mit der HiPace 700 H präsentiert Pfeiffer Vacuum eine äußerst kompressionsstarke Turbopumpe. Mit einem Kompressionsverhältnis von ≥ 2·10⁷ für Wasserstoff ist sie für die Erzeugung von Hoch- und Ultrahochvakuum geeignet.

 

Mehr Informationen

Virtuelle Jobbörse

Eine Kooperation von Wiley und der DPG

Als Ersatz für die bekannte Jobbörse auf den DPG-Frühjahrstagungen 2020 findet eine Virtuelle Jobbörse statt.

Eventbeginn:
16.06.2020 - 14:00
Eventende:
18.06.2020 - 17:00

Mehr Informationen

Korrosion und Korrosionsschutz modellieren - Whitepaper

Korrosion verursacht erhebliche Schäden. Die Modellierung und Simulation mit hochgenauen 1D-, 2D- und 3D-Modellen können zum Verständnis von Korrosion und Korrosionsschutzprozessen beitragen, wie das Whitepaper zeigt.

Whitepaper lesen!

Die Turbopumpe mit hoher Kompression, speziell für leichte Gase.

Mit der HiPace 700 H präsentiert Pfeiffer Vacuum eine äußerst kompressionsstarke Turbopumpe. Mit einem Kompressionsverhältnis von ≥ 2·10⁷ für Wasserstoff ist sie für die Erzeugung von Hoch- und Ultrahochvakuum geeignet.

 

Mehr Informationen

Virtuelle Jobbörse

Eine Kooperation von Wiley und der DPG

Als Ersatz für die bekannte Jobbörse auf den DPG-Frühjahrstagungen 2020 findet eine Virtuelle Jobbörse statt.

Eventbeginn:
16.06.2020 - 14:00
Eventende:
18.06.2020 - 17:00

Mehr Informationen