Neue Forschungsergebnisse belegen, dass Filtrierer ein natürliches Gleichgewicht zwischen Durchlässigkeit und Selektivität herstellen, das als Grundlage für die Entwicklung von Wasseraufbereitungssystemen dienen könnte.
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Jennifer Chu
In einem Artikel, der diese Woche in den Proceedings of the National Academy of Sciences erscheint , beschreibt das Team den Filter- und Ernährungsmechanismus der Teufelsrochen – einer Familie von Wasserrochen, zu der zwei Manta-Arten und sieben Teufelsrochen gehören. Teufelsrochen ernähren sich, indem sie mit offenem Maul durch planktonreiche Regionen des Ozeans schwimmen und Planktonpartikel in ihre Speiseröhre filtern, während Wasser in ihr Maul ein- und durch ihre Kiemen wieder ausströmt.
Der Boden des Mauls des Teufelsrochens ist auf beiden Seiten mit parallelen, kammartigen Strukturen, sogenannten Platten, ausgekleidet, die Wasser in die Kiemen des Rochens leiten. Das MIT-Team hat gezeigt, dass die Abmessungen dieser Platten es dem ankommenden Plankton ermöglichen könnten, über die Platten hinweg und weiter in die Höhle des Rochens zu springen, anstatt durch die Kiemen hinauszugelangen. Darüber hinaus absorbieren die Kiemen des Rochens Sauerstoff aus dem abfließenden Wasser, was dem Rochen hilft, gleichzeitig zu atmen und zu fressen.
„Wir zeigen, dass der Teufelsrochen die Geometrie dieser Platten so entwickelt hat, dass sie die perfekte Größe haben, um Nahrungsaufnahme und Atmung im Gleichgewicht zu halten“, sagt Studienautorin Anette „Peko“ Hosoi, Pappalardo-Professorin für Maschinenbau am MIT.
Die Ingenieure stellten einen einfachen Wasserfilter her, der den Planktonfilterfunktionen des Teufelsrochens nachempfunden war. Sie untersuchten, wie Wasser durch den Filter floss, wenn er mit 3D-gedruckten plattenartigen Strukturen ausgestattet war. Das Team nahm die Ergebnisse dieser Experimente und erstellte eine Blaupause, mit der Designer ihrer Meinung nach industrielle Querstromfilter optimieren können, die in ihrer Konfiguration denen des Teufelsrochens weitgehend ähneln.
Im Rahmen ihrer neuen Studie fabrizierte das Team einen einfachen Filter, der vom Teufelsrochen inspiriert war. Das Design des Filters ist das, was Ingenieure als „undichten Kanal“ bezeichnen – im Grunde ein Rohr mit Löchern an den Seiten. In diesem Fall besteht der „Kanal“ des Teams aus zwei flachen, transparenten Acrylplatten, die an den Rändern zusammengeklebt sind, wobei zwischen den Platten eine kleine Öffnung besteht, durch die Flüssigkeit gepumpt werden kann. An einem Ende des Kanals fügten die Forscher 3D-gedruckte Strukturen ein, die den geriffelten Platten ähneln, die entlang des Bodens des Mundes des Teufelsrochens verlaufen.
Anschließend pumpte das Team Wasser mit unterschiedlicher Geschwindigkeit durch den Kanal und verwendete Farbstoffe, um die Strömung zu visualisieren. Sie machten Bilder des Kanals und beobachteten einen interessanten Übergang: Bei langsamer Pumpgeschwindigkeit war die Strömung „sehr ruhig“ und die Flüssigkeit rutschte leicht durch die Rillen in den bedruckten Platten und in ein Reservoir. Als die Forscher die Pumpgeschwindigkeit erhöhten, rutschte die schneller fließende Flüssigkeit nicht durch, sondern schien an der Mündung jeder Rille zu wirbeln und einen Wirbel zu erzeugen, ähnlich einem kleinen Haarknoten zwischen den Zinken eines Kamms.
„Dieser Wirbel blockiert nicht das Wasser, sondern die Partikel“, erklärt Hosoi. „Während bei langsamerer Strömung die Partikel mit dem Wasser durch den Filter gelangen, versuchen sie bei höherer Strömungsgeschwindigkeit, durch den Filter zu gelangen, werden aber von diesem Wirbel blockiert und stattdessen durch den Kanal geschossen. Der Wirbel ist hilfreich, weil er verhindert, dass Partikel herausfließen.“
https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2410018121
