Bachelorarbeit
Bachelorarbeit im ISB in Kooperation mit dem Alfred-Wegener-Institut Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung, Bremerhaven
Kerbspannungsreduzierung nach Diatomeen Vorbild
Was Mikroalgen über stabile Strukturen verraten: Die Formgebung der Diatomeen reduziert Spannungen effektiv und bietet Inspiration für technische Verfahren wie das Schweißen.
Diatomeen, kleine Algen mit einem schützenden Skelett, sind so gestaltet, dass sie äußeren und inneren Kräften trotzen können. Die Studie verglich verschiedene Formen der Skelett-Enden und zeigte, dass spezielle Modifikationen die Spannung deutlich reduzieren können, was zu einer stabileren Struktur führt. Diese Erkenntnisse könnten für technische Anwendungen wie das Schweißen von Materialien nützlich sein
Das Skelett schützt die Diatomee vor Fressfeinden, dennoch darf es nicht zu massig werden, da die Diatomeen sonst abzusinken drohen. Skelette von pennaten (seitig symmetrisch, häufig stäbchenförmig) Diatomeen besitzen darüber hinaus Durchbrüche, die unweigerlich in rissgefährdeten Kerben enden müssten, wenn sie sich nicht durch eine spezielle Formgebung vor Spannungsmaxima an diesen Enden schützen würden.
Die Zielsetzung der Studie war daher, die Durchbruch-Enden verschiedener Diatomeen auf ihr Potential zur Spannungsminimierung zu untersuchen, um eine Alternative zur bisherigen technischen Lösung – dem Aufbohren – zu haben.
Wenn für eine unter Zugbelastung stehende Platte mit unmodifiziertem „Riss“ die Spannung im Kerbgrund auf 100% gesetzt wird, dann kann ein Aufbohren auf die doppelte Rissbreite die Spannung immerhin auf 75% reduzieren.
Ein nach N. menisculus modifiziertes Kerbende reduziert auf 62% und ein nach F. saxonica modifiziertes sogar auf 35% der ursprünglichen Spannungshöhe.
Eine Anwendung solcher Modifikationen käme dabei nicht ausschließlich bei Rissen in Frage. Auch Nahtgeometrien beim Schweißen könnten so in ihrem Auslauf optimiert werden.
Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme von zwei pennaten Diatomeen.
Quelle: Ciomber I. (2013): Kerbspannungsreduzierung durch Geometriemodifikation nach Vorbild pennater Diatomeen. Bachelorarbeit, Internationaler Studiengang Bionik, Hochschule Bremen, unpubliziert.