NOAA setzt SLA- und SLS-3D-Drucker in der Korallenforschung ein

Jeden Tag tauchen in den Nachrichten mehr Beweise für den Klimawandel auf – Bilder von schmelzenden Polarlandschaften, üppigen Tropen, die zu verkohltem Ödland geworden sind, und ausgetrockneten Korallenriffen. Um die Auswirkungen des Klimawandels zu bekämpfen, setzen Forscher auf der ganzen Welt neue und innovative Techniken ein. Ein Forscherteam der National Oceanic and Atmospheric Association (NOAA) setzt auf den 3D-Druck, um wiederholbare, maßgeschneiderte Teile für die Forschung und Überwachung von Korallenriffen herzustellen.

Nate Formel und seine Kollegen vom Atlantic Oceanographic and Meteorological Laboratory (AOML) der NOAA verwenden zwei Form 2 und zwei Form 3 Stereolithographie-Drucker (SLA) sowie den Fuse 1 Selective Laser Sintering (SLS)-Drucker, um robuste Gehäuse für Probenehmer, Vorrichtungen für experimentelle Sensoren und Geräte sowie maßgeschneiderte Komponenten für die hauseigenen Aquarien zu drucken – Strukturen, die zur Untersuchung der Fitness von Korallen und von Methoden zur Verbesserung der Widerstandsfähigkeit von Korallen angesichts steigender Wassertemperaturen und extremer Bedingungen im Zuge des Klimawandels gebaut werden.
Ein integraler Bestandteil des globalen Ökosystems

Korallen sind koloniale Organismen, die in der Regel aus Tausenden oder Hunderttausenden von einzelnen Polypen bestehen, von denen jeder ein komplexes Konsortium von Mikroorganismen besitzt, die zu ihrer Gesundheit und Ernährung beitragen. Riffbildende Korallen scheiden Kalziumkarbonat aus, ein hartes, steinartiges Material, das Strukturen bildet, die wir gemeinhin als Riffgerüst oder Lebensraum bezeichnen. Dieser Lebensraum und das gesamte Riff-Ökosystem, das er unterstützt, sind äußerst wertvoll und beherbergen die höchste Konzentration an biologischer Vielfalt in der Meereswelt; sie werden oft als “Regenwälder des Meeres” bezeichnet. Aus anthropozentrischer Sicht stellen sie für die US-Wirtschaft einen Wert in Milliardenhöhe dar, indem sie die Fischerei und den Tourismus unterstützen und die Küsten vor Wellenenergie und Stürmen schützen.

Korallen sind lebenswichtig für die Gesundheit des globalen Ökosystems und der Weltwirtschaft, aber ihre eigene Gesundheit nimmt rapide ab. Eine in der Zeitschrift One Earth veröffentlichte Studie ergab, dass seit 1950 mehr als die Hälfte der weltweiten Korallenpopulation ausgerottet wurde. Anthropogene oder vom Menschen verursachte Faktoren wie die Wasserverschmutzung, die Zerstörung von Lebensräumen und die globale Erwärmung durch die Nutzung fossiler Brennstoffe, die industrielle Landwirtschaft und die Abholzung von Wäldern sind die Hauptursache für den massiven Rückgang der Korallenbestände.

Um den Verlust von Korallenriffen zu bekämpfen, setzen Wissenschaftler und Forscher der NOAA und ihrer Partnerinstitutionen innovative Methoden ein, um Korallen in freier Wildbahn zu untersuchen, bestimmte Bedingungen unter kontrollierten Bedingungen im Labor zu reproduzieren und dann neue Korallenarten zu züchten, die den extremen Umweltbedingungen von heute besser standhalten können. Das AOML Coral Program, in dem Formel arbeitet, hat sich in Zusammenarbeit mit dem Cooperative Institute for Marine and Atmospheric Studies (CIMAS) der Universität Miami dem 3D-Druck zugewandt, um seine Feld- und Laborforschung zu erleichtern. Der Einsatz von Formlabs-Druckern hat dazu beigetragen, ihre Experimente zu standardisieren sowie deren Genauigkeit und Vergleichbarkeit zu verbessern, und hat die Entwicklung neuer Technologien erleichtert.
Fünf Mitglieder des Forschungslabors in Tauchausrüstung unter Wasser.

Um die Merkmale von Korallen zu ermitteln, die in einer neuen, extremeren Meeresumgebung gedeihen werden, suchen Formel und seine Kollegen nach Korallen, die derzeit unter Bedingungen gedeihen, die in einem stärker versauerten Ozean zu erwarten sind, etwa in der Nähe von Vulkanschloten. Das Team entwickelte einen automatischen Probenehmer für den Untergrund (SAS), der Wasserproben an Korallenriffen sammelt, um die Intensität und Variabilität der Bedingungen, unter denen diese Korallen leben, besser zu verstehen. Sie haben das Design dieser Probenehmer als Open Source zur Verfügung gestellt, damit andere Gruppen auf der ganzen Welt dieses Werkzeug nutzen können. Durch den Einsatz des 3D-Drucks konnten die Kosten für den Probenehmer niedrig gehalten werden, so dass der Bau und Einsatz vieler Probenehmer ohne große finanzielle Mittel möglich ist. Die Automatisierung ermöglicht eine synchronisierte Probenahme, so dass sich die Forscher ein genaues Bild davon machen können, was im Wasser zu verschiedenen Zeiten oder an mehreren Orten passiert.

“Die Automatisierung der Probenahme war eine reizvolle Idee, um unsere Wissenschaft zu verbessern und die Durchführung dieser Wissenschaft zu erleichtern”, sagt Formel. “Man kann eine synchronisierte Probenahmezeit haben, die genau zeigt, was in der Wasserchemie an verschiedenen Orten passiert.”

Der Leiter des AOML-Korallenprogramms, Dr. Ian Enochs, begann mit dem Bau eines kostengünstigen Open-Source-Wasserprobenehmers, der aus durchsichtigem, wasserdichtem Acryl und Edelstahlteilen besteht und dessen Materialkosten sich auf fast 1.000 Dollar belaufen. Forschungslabors verfügen über begrenzte Budgets, und angesichts der hohen Materialkosten war es unrealistisch zu erwarten, dass die erste Version des Probenehmers weit verbreitet sein würde. Ohne Automatisierung mussten jedoch alle Proben von Hand entnommen werden, was den Zeit- und Kostenaufwand vor Ort erhöhte. Die manuelle Entnahme machte es außerdem extrem schwierig, hochfrequente, synchronisierte oder nächtliche Proben zu nehmen. Enochs und Formel wendeten sich dem 3D-Druck zu, um diese Kosten zu senken und die Arten von Datensätzen zu erweitern, die sie sammeln konnten.

“Der 3D-Druck ermöglichte es uns, die Komplexität der Forschung, die wir durchführen wollten, beizubehalten, und das zu einem Bruchteil der Kosten”, so Formel.

Das AOML Coral-Programm begann mit der am weitesten verbreiteten 3D-Drucktechnologie, einem Desktop-FDM-Gerät (Fused Deposition Modeling), stieß aber schnell auf ein Hindernis. FDM-Drucke sind nicht wasserdicht – durch die Art und Weise, wie eine FDM-Druckdüse das Material aufträgt, entstehen kleine Lücken zwischen den Schichten, durch die Wasser eindringen und die empfindliche interne Elektronik und die Abtastmotoren beschädigen könnte. Als das Team von der SLA-Technologie hörte, begann es mit einer Form 2 und später mit einer Form 3, um wasserdichte Probenehmer aus PVC-Rohren und 3D-gedruckten Teilen herzustellen, die die ursprünglichen teuren Acrylgehäuse ersetzen sollten.

“Wir verfügen nun über diese maßgeschneiderten 3D-gedruckten Komponenten mit den erforderlichen Verbindungspunkten und Durchgangslöchern, die uns die Entnahme von Wasserproben ermöglichen. Das ursprüngliche Design des Probenehmers, das der Grund für all dies war, haben wir nicht mehr für 1.000 Dollar, sondern für 220 Dollar hergestellt. Das bedeutet, dass ich jetzt fünf Probenehmer herausgeben kann, während ich früher nur einen herausgeben konnte”, sagt Nate Formel.

Eigene Aquarien: Testen extremer Bedingungen

Im Experimental Reef Lab (ERL) auf dem Meerescampus der Universität von Miami unterhalten Formel und die Wissenschaftler des AOML Coral Program mehrere identische Aquariensysteme, die verschiedene Bedingungen in Riffumgebungen simulieren sollen. In jedem dieser Aquarien wird eine Reihe von Umweltvariablen kontrolliert, unter anderem der Säuregehalt des Wassers, die Temperatur, das Licht und die Durchflussrate.
NOAA AOML Experimentelles Rifflabor

Das Experimental Reef Lab; jedes Becken hat spezifische Steuerungen und erfordert ein maßgeschneidertes Elektronikgehäuse. Der 3D-Druck von SLS ermöglichte es dem Team, die Kosten zu senken und die Effizienz der Datenerfassung zu steigern.

Wissenschaftliche Sensoren und Geräte in einem Salzwasseraquarium benötigen wasserdichte Gehäuse und robuste und zuverlässige Halterungen, um nicht durch Spritzwasser und die korrosive Salzluft beschädigt zu werden.

Die Möglichkeit, wasserdichte Gehäuse und Baugruppen in 3D zu drucken, ermöglichte es ihnen, auch die Pflege der Versuchsaquarien zu automatisieren. Durch die Entwicklung eines 3D-gedruckten Gehäuses für spritzwassergeschützte Fütterungsvorrichtungen konnten sie die Fütterung der Korallen während der Nacht automatisieren, wodurch stundenlange Arbeit entfiel und der Zeitpunkt der Fütterung der Korallen verbessert und standardisiert wurde.

Eine weitere 3D-gedruckte Kreation war ein wasserdichtes Gehäuse für eine Rührplatte. Sie wollten die Wasserdurchmischung in einer geschlossenen Kammer in ihren Becken kontrollieren können. Rührplatten sind zwar weit verbreitet, aber wasserdichte Rührplatten sind teuer. Anstatt sie zu kaufen, verwendete das Team einen Computerlüftermotor, verband diesen mit einem Draht, der in einem von Formlabs gedruckten Gehäuse eingeschlossen war, sicherte den Deckel mit einem O-Ring und einer Acrylfrontplatte, versiegelte den Draht mit Epoxid und schuf seine eigene wasserdichte Rührplatte für 30 $ an Materialien. Die tauchfähige Rührplatte wurde in ein neuartiges Open-Source-Brutkammersystem zur schnellen Bewertung der Fitness von Korallen integriert, das die Kosten niedrig und die Technologie zugänglich hält und gleichzeitig die Forschung standardisiert und rationalisiert.

“Das ist eine der großartigen Möglichkeiten des 3D-Drucks. Wir können das Wasser in einer identischen Weise für eine Reihe von “Untertanks” innerhalb unseres ursprünglichen Tanks kontrollieren. Die Replikation ist ein so wichtiger Teil der Wissenschaft, um Dinge zu testen und zu wiederholen. Wenn man [sein] Experiment viele Male wiederholen kann, hat man eine statistisch robuste Möglichkeit, seine Wissenschaft zu betreiben”, erklärt Formel.

Robuste Teile für reproduzierbare Wissenschaft

Obwohl sich SLA-gedruckte Teile ideal für die Herstellung wasserdichter Gehäuse eignen, waren sie dennoch nicht so robust, wie es das AOML Coral Program wünschte. Außerdem ist eine zeitintensive Nachhärtung erforderlich, um sie für die Verwendung mit Meeresorganismen geeignet zu machen. Gesintertes Nylon war jedoch ein vertrautes Material, das für die Herstellung vieler handelsüblicher Komponenten verwendet wird, da Nylon keine Bedenken hinsichtlich der Auswirkungen auf die Studienorganismen aufkommen lässt und gleichzeitig unglaublich widerstandsfähige Komponenten erzeugt.

Ihr erster Nylondruck war ein einfaches Gehäuse für die Versuchsaquarien, um die Metallschalter vor Korrosion zu schützen. Um die Festigkeit der Drucke zu testen, schlug Formel mit einem Vorschlaghammer und einem Meißel auf das gedruckte Teil von Fuse 1 ein und stellte beeindruckt fest, dass es nicht leicht zu brechen war.

Formel erklärte uns: “Es geht uns darum, so effektiv und effizient wie möglich zu werden. Wir versuchen, die Wissenschaft zu vereinfachen, und die Verwendung [robusterer Werkzeuge] macht es einfach, kontrollierte, wiederholbare Wissenschaft zu betreiben.”

Der richtige Preispunkt für die Forschung

Formel musste die Kosten für die Ausrüstung gegenüber dem Führungsteam der Abteilung rechtfertigen. Der Fuse 1 hatte eine ausreichend kleine Stellfläche mit einem ausreichend großen Druckbereich sowie einen erschwinglichen Preis, so dass er alle Kriterien erfüllte.

Die kontinuierlichen Kosteneinsparungen durch die Optimierung des Druckbetts und der Pulverauffrischungsrate tragen ebenfalls dazu bei, dass das Drucken mit dem Fuse 1 insgesamt erschwinglich ist. Formel packt die Baukammern so dicht wie möglich, um die Packungsdichte an die optimale Auffrischungsrate von 30 % für das Nylon 12-Pulver anzupassen, was bedeutet, dass nur 30 % der Baukammer aus brandneuem, unbenutztem Pulver bestehen, während 70 % recyceltes Pulver aus früheren Drucken sind.

“Seit wir die Maschine gekauft haben, mussten wir kein neues Material mehr kaufen. Die Wiederverwertungsrate ist so hilfreich, und wir streben eine optimale Packungsdichte an. Das schlägt sich direkt in niedrigen Kosten pro Teil nieder”, sagt Formel.

Demokratisierung der Wissenschaft zur Bewältigung einer globalen Bedrohung

Sowohl die Probenahmen vor Ort als auch die Ergebnisse aus dem eigenen Aquarium liefern eine Fülle von Daten, die den Forschern helfen zu verstehen, wie Korallen unter den rauen Bedingungen überleben können. Mit finanzieller Unterstützung des Korallenriff-Schutzprogramms der NOAA arbeitet das AOML-Korallenprogramm daran, widerstandsfähigere Korallen und deren Mechanismen zu identifizieren, um die Wiederherstellung von Korallenriffen zu unterstützen, die ein so wichtiger Bestandteil des marinen Ökosystems und der Weltwirtschaft sind. Aber ein Labor allein kann das nicht schaffen. Deshalb stellen Formel und sein Team ihre Werkzeuge, einschließlich ihrer 3D-Designs und Teile, vollständig als Open Source zur Verfügung, um Wissen und Bewusstsein über ihre Methoden und Ergebnisse zu verbreiten.

“Ein Begriff, den wir verwenden, ist ‘Demokratisierung der Wissenschaft’. Wir wollen es allen leichter machen, dieselben Werkzeuge zu benutzen, und diese Drucker haben uns wirklich geholfen, diese Bemühungen zu verstärken. Durch die Zugänglichkeit des 3D-Drucks haben wir die Möglichkeit, neue Dinge zu entwickeln, an die bisher niemand gedacht hat. Vor diesem Job habe ich noch nie ein Teil erfunden, und jetzt tue ich das ständig”, sagt Formel.

Um diesen Erfindergeist auch bei den jüngeren Generationen zu wecken, laden NOAA AOML und die Universität von Miami Schüler von der Mittelschule bis zur Graduiertenschule zu Lehrveranstaltungen und Führungen in das Labor ein. Diese zukünftigen Wissenschaftler, Ingenieure und Innovatoren können sich mit der 3D-Drucktechnologie vertraut machen und aus erster Hand erfahren, wie die Wissenschaft des Klimaschutzes und der Wiederherstellung des Klimas funktioniert

Angesichts des sich verschärfenden Klimawandels wird diese junge Generation neue Strategien und Techniken zur Bekämpfung seiner Auswirkungen entwickeln. So wie Formel sich daran gewöhnt hat, mit seinen Formlabs-Druckern neue Werkzeuge zu erfinden, werden die Ingenieure der Zukunft Dinge erschaffen müssen, an die bisher noch niemand gedacht hat. Der Zugang zu zugänglichen, erschwinglichen und einfach zu bedienenden 3D-Druckern ist ein wesentlicher Faktor, um ihnen dabei zu helfen, und die NOAA und das AOML setzen sich dafür ein, dies durch Veranstaltungen wie diese Bildungsveranstaltungen zu erreichen.

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