Die Krabbenklaue inspiriert eine neue Methode zur Erzeugung von Unterwasserplasma

Forscher der Texas A & M University suchen die Natur nach Inspiration bei der Entwicklung einer neuen Methode zur Erzeugung von Unterwasserplasma unter Verwendung von Garnelen als Modell – eine Entdeckung, die signifikante Verbesserungen für Maßnahmen bieten kann, die von der Wassersterilisation bis zum Bohren reichen.

Dr. David Staack, außerordentlicher Professor in der Abteilung für Maschinenbau von J. Mike Walker ’66 und Xin Tang, ein Ph.D. Der Kandidat und der wissenschaftliche Assistent der Abteilung verwendeten die 3D-Drucktechnologie, um nicht nur die physische Form einer Schnappgarnelen-Kralle zu replizieren, sondern auch den komplexen Mechanismus, durch den das Plasma erzeugt wird.

Die Forschung des Teams wurde am 15. März in der Online-Zeitschrift Science Advances veröffentlicht.

“Wenn man auf die Natur schaut, macht es der evolutionäre Druck im Allgemeinen so, dass die Natur die Dinge sehr effizient erledigt”, sagte Staack. “Ich finde es interessant, dass die Garnele seit Millionen von Jahren intensive Stoßwellen, Plasmachemie und Nanopartikelsynthese durchführt.”

Wenn die Schnappgarnele – auch Pistolengarnele genannt – ihre Klaue schnappt, schießt sie einen Wasserstrahl schnell genug aus, um eine Blase zu erzeugen, die beim Zusammenfallen ein lautes Geräusch erzeugt und Licht emittiert. Die dabei erzeugten hohen Drücke und Temperaturen führen zur Plasmabildung.

Das von Staack geleitete Projekt begann vor mehr als vier Jahren als Ableger eines von der National Science Foundation (NSF) finanzierten Projekts zum Thema Entladungsplasma in Flüssigkeiten. Beim Vergleich des Plasmaerzeugungsprozesses der Schnappgarnelen mit ihrem elektrischen Plasmaprozess wurden die Forscher neugierig, ob sie einen Weg finden könnten, ihre Eigenschaften zu messen und zu replizieren.

Die Forscher machten sich daran, die Mechanik der schnappenden Garnelenklaue mit anfänglicher Unterstützung der NSF nachzuahmen. Dabei untersuchten sie sorgfältig, wie das Meerestier eine Kavitationsblase erzeugt, die bei 3.000 Grad Fahrenheit Plasma erzeugt.

“In unserer Arbeit berichten wir über die erste direkte Abbildung der Lichtemission, die mit der gleichen Methode wie die Garnele ausgelöst wird: Die mechanisch erzeugte Energie konzentriert sich auf eine kollabierende Kavitation und die folgende Stoßwellenausbreitung”, sagte Staack. “Durch das biologisch inspirierte mechanische Design konnten wir wiederholte und konsistente Experimente zur Plasmaerzeugung durchführen und auf eine signifikante Steigerung der Umwandlungseffizienz im Vergleich zu Schall-, Laser- und elektrisch induzierter Kavitation hinweisen.”

Staack sagte, der Einsatz von 3D-Druck sei für das Fortschreiten dieses Projekts von entscheidender Bedeutung, so dass die Forscher ein genaues, skaliertes Modell der Schnappgarnelen-Kralle auf eine Weise erstellen können, die vor einigen Jahren nicht möglich war.

Frühere Versuche, das Verhalten der Garnele zu replizieren, konzentrierten sich auf die zweidimensionale Geometrie der Garnele, wobei letztendlich einige der komplexen 3D-Prozesse fehlten, die neuere Technologien es den Forschern ermöglichten, den Mechanismus erfolgreich wiederherzustellen.

Staack und Tang erstellten ein 3D-Modell einer schnappenden Garnelenschale, die fünfmal größer ist, als sie in der Natur erscheint. Um den Mechanismus ohne die Hilfe der Muskeln der Garnelen anzutreiben, implementierten die Forscher ein mausefallenartiges Federsystem.

In der Natur verwenden Garnelen die Kavitationsblase als Waffe, um Stöße zu erzeugen und ihre Beute zu betäuben. Eine vergrößerte Version des Garnelenmechanismus könnte für ein breites Spektrum von Disziplinen verwendet werden, einschließlich analytischer Chemie, Physik und Materialverarbeitung.

“Garnelen nutzten die Systeme als Waffe, und das ist sicherlich eine Anwendung”, sagte Staack. “Der Druck und die Stöße können kleine Fische betäuben oder einen Nierenstein aufbrechen. Die Kavitation und die Dynamik können verwendet werden, um den Grenzschichtfluss zu verändern und den Widerstand für ein Boot zu reduzieren. Andere Anwendungen nutzen die Chemie des Plasmazustands. Nanopartikel können dies Aufgrund der extremen Synthesebedingungen mit exotischen Phasen synthetisiert werden. Wasser kann sterilisiert werden. Öl kann aufgewertet werden.”

Staack, inspiriert von den Fähigkeiten der Schnappgarnelen für Plasma- und Stoßwellen, arbeitet mit einem Team von Kollegen aus der Maschinenbauabteilung an einem Spin-Off-Projekt, um die Bohrtechnologie voranzutreiben, mit der geothermische Quellen zur Erzeugung der Erdwärme genutzt werden. Durch die Möglichkeit, Elektroden an der Spitze eines Bohrmeißels eine mikroskopische Plasmaentladung zu emittieren, wird die Technologie dabei helfen, hartes Gestein zu durchbrechen und den Bohrvorgang zu rationalisieren.

In der Zukunft sagte Staack, dass einige der Ziele für zukünftige Forschung darin bestehen, die Temperatur des erzeugten Plasmas zu bestimmen, herauszufinden, wie groß sie den Mechanismus skalieren können, und einige mögliche Anwendungen zu testen.

Sie arbeiten auch an der Verfeinerung der effizientesten Version des Mechanismus und entfernen Teile aus dem Klauenmodell, die bei der Erzeugung von Plasma keinen Zweck erfüllen.

“Wir haben daraus gelernt, dass wir nicht alles von dieser Garnelenbiologie brauchen”, sagte Staack. “Wir brauchen den kleinen Rückstößel und wir brauchen den Kanal, aber wir brauchen nicht den Teil, mit dem die Garnele schlägt. Es gibt einige Dinge, die sich aus verschiedenen Gründen entwickelt haben. Einige der Dinge, die wir jetzt machen, ist herauszufinden was die destillierte Version dieses Mechanismus ist.”