3D-gedruckte Filter nach Meeresvorbild: Manta-Strukturen verfeinern industrielle Wasserreinigung

MIT-Ingenieure nutzen von Manta-Rochen inspirierte Filterstrukturen, um mit 3D-Druck effizientere Wasseraufbereitungssysteme zu entwickeln. So gelingt es, Durchfluss und Partikelabscheidung optimal auszubalancieren. Damit sinkt zugleich der Energiebedarf, ohne an Leistungsfähigkeit einzubüßen. So sinken Kosten.

Mobula-Rochen nutzen parallel angeordnete Platten in ihrem Mund, um Plankton effizient aus Wasserströmen zu filtern. Während Wasser durch die Kiemen strömt, erzeugen spezielle Geometrien Wirbel, die Partikel in den Körper der Rochen leiten, ohne den Wasserfluss oder die Atmung zu beeinträchtigen. Dieses Konzept inspirierte die Forschenden, ein Filtersystem zu entwickeln, das auf ähnlichen Prinzipien basiert.

„Wir zeigen, dass der Mantarochen die Geometrie dieser Platten so entwickelt hat, dass sie die perfekte Größe für das Gleichgewicht zwischen Nahrungsaufnahme und Atmung haben“, sagt Studienautorin Anette ‚Peko‘ Hosoi, die Pappalardo-Professorin für Maschinenbau am MIT.

„Wir wollen den Designraum der traditionellen Querstromfiltration mit den neuen Erkenntnissen des Mantarochens erweitern“, sagt der Hauptautor und MIT-Postdoc Xinyu Mao PhD ’24. „Die Menschen können die Parameter des Mantarochens so wählen, dass sie potenziell die Gesamtleistung des Filters verbessern können.“

Das Team druckte 3D-Modelle der Plattenstrukturen und baute daraus einen sogenannten „Leckkanal“, einen transparenten Kanal mit kleinen Öffnungen. Bei langsamen Wasserströmen ließen die Platten Partikel und Wasser durch, während bei höheren Geschwindigkeiten Wirbel entstanden, die Partikel effektiv blockierten und in den Abfallstrom leiteten. Diese Eigenschaft könnte herkömmliche Filterdesigns verbessern, indem sie Permeabilität und Selektivität optimal kombinieren.

Das Forschungsteam erstellte ein Designhandbuch, das aufzeigt, wie industrielle Filter mithilfe der mobula-ähnlichen Struktur optimiert werden können. Ziel ist es, Filtrationsprozesse in Bereichen wie Wasseraufbereitung oder medizinischer Technik effizienter zu gestalten.

„Sie sollten einen Filter so gestalten, dass Sie sich in einem Bereich befinden, in dem Sie Wirbel erzeugen“, sagt Hosoi. „Unsere Richtlinien sagen Ihnen: Wenn Ihre Anlage mit einer bestimmten Geschwindigkeit pumpen soll, dann muss Ihr Filter einen bestimmten Porendurchmesser und -abstand haben, um Wirbel zu erzeugen, die Partikel dieser Größe herausfiltern. Der Mobula-Strahl gibt uns eine wirklich gute Faustregel für rationelles Design.“

Diese Arbeit, unterstützt durch das U.S. National Institutes of Health, zeigt, wie Natur und Technologie kombiniert werden können, um industrielle Herausforderungen zu lösen.