Bionik: Euplectella – der perfekt konstruierte Tiefseeschwamm

Abb.1: Die Struktur des Schwamms Euplectella entspricht im Detail grundlegenden mechanischen Bauprinzipien, die bei großen Gebäuden angewendet werden. (Lucent Technologies/Bell Labs)

Wer hätte gedacht, daß ausgerechnet ein Lebewesen der Tiefsee Bauingenieuren und Werkstoffspezialisten Anschauungsunterricht in Sachen Statik, Tragwerksbau und Glasfasertechnik erteilt? Seit einigen Jahren werden Gießkannenschwämme der Gattung Euplectella (Abb. 1) von Wissenschaftlern der Bell-Laboratories in Murray Hill (New Jersey), der University of California in Santa Barbara und vom Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam eingehend untersucht. Der Grund dafür ist das außergewöhnliche Skelett von Euplectella aspergillum, ein Schwamm, der hauptsächlich im Westpazifik in Tiefen bis zu 5000 Metern lebt. Elsa Reichmanis, Leiterin der Materialforschung bei den Bell-Labs bemerkt fasziniert: „Diese Schwämme sind perfekt geformt und besitzen exakt die richtige Menge an Material für eine optimale Konstruktion.“ Entdeckt wurden zunächst haarfeine „Bio-Glasfasern“, die in drei hierarchischen Ebenen aufgebaut sind. So entsteht ein mit organischem Kleber verbundenes Mikrolaminat aus Silikat-Nanopartikeln, einer Lamellenstruktur und konzentrisch angeordneten Glasschichten von wenigen Mikrometern Dicke. Diese Fasern wurden als hervorragende, bruchsichere Lichtleiter erkannt, die dazu beitrugen, die kommerzielle Herstellung von Glasfasern zu verbessern. Doch damit nicht genug! Weitere vier Ebenen strukturellen Aufbaus mit jeweils unterschiedlichen mechanischen Konstruktionsprinzipien ergeben einen nahezu unzerbrechlichen, mehrere Dezimeter langen Kolben in Form eines netzartigen Fachwerks. Das Besondere dabei ist der hierarchische Aufbau über insgesamt sieben Ebenen verschiedener Größenordnungen vom Nanometer bis zum Zentimeter! Dabei wird die Sprödigkeit des Silikatglases durch den Faseraufbau optimal kompensiert und die „Fachwerkkonstruktion“ sorgt mit ihren diagonalen Streben für ausreichende Versteifung gegenüber ansetzenden Scherkräften. Eine zusätzliche Spiralstruktur verhindert das Zusammendrücken der Gesamt-Konstruktion. Beeindruckende Bilder von den Details dieser Konstruktion bietet die Arbeit von Aizenberg et al. (2005). Selbst wenn einige berühmte Bauwerke wie Eiffelturm, Swiss Re Tower in London u.a. bereits mehrere hierarchische Konstruktionsebenen aufweisen, sind sie doch im Vergleich mit dem Euplectella-Skelett einfach.

Im Bereich der Bionik werden permanent neue, erstaunliche Konstruktionen bei Lebewesen entdeckt und ihre Bedeutung für die Technik erkannt. In diesem Fall zeigt selbst ein scheinbar simpler Schwamm, daß Ingenieure noch jede Menge dazulernen können. Wenn es gelingt, Werkstoffe und Tragwerke nach dem Bauprinzip des Tiefseeschwammes zu optimieren, ist zu erwarten, daß zukünftige Bauwerke mit zusätzlicher Material- und Energieersparnis erstellt werden können, ohne daß ihre Stabilität darunter leidet. Mit jeder dieser erstaunlichen Entdeckungen stellt sich die Frage nach dem Konstrukteur dieser Lebewesen mit größerer Dringlichkeit.

Eine Präsentation dieser Arbeit in Spiegel-online schließt mit der Feststellung: „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.“ Ein erster Schritt zur Bearbeitung solcher Fragen könnte darin bestehen, mit dem Adjektiv „primitiv“ sparsamer umzugehen.

WB

[Aizenberg J, Weaver JC, Thanawala MS, Sundar VC, Morse DE & Fratzl P (2005) Skeleton of Euplectella sp.: Structural Hierarchy from the Nanoscale to the Macroscale. Science 309, 275-278; http://www.spiegel.de/wissenschaft/erde/ 0,1518,druck-364617,00.html]