Was wäre, wenn ein Metallgegenstand voller Löcher trotzdem auf dem Wasser schwimmen könnte? Das klingt unmöglich, doch neue Forschungsergebnisse zeigen, dass es funktionieren kann.
Mehr als ein Jahrhundert nach dem Untergang der Titanic suchen Forschende weiterhin nach besseren Methoden, um Schiffe und schwimmende Konstruktionen vor dem Sinken zu bewahren.
Ein Forschungsteam der University of Rochester (URochester) ist diesem Ziel nun einen Schritt näher gekommen. Die Wissenschaftler entwickelten Metallrohre, die selbst nach erheblichen Beschädigungen und langer Zeit unter Wasser nicht untergehen.
Umwandlung eines gewöhnlichen Materials
Die Untersuchungen fanden am Institute of Optics der URochester statt. Geleitet wurde die Studie von Chunlei Guo, leitendem Wissenschaftler am Laboratory for Laser Energetics (LLE).
Das Team verwendete herkömmliche Aluminiumrohre. Anstatt ihre Form zu verändern oder Schaumstoff hinzuzufügen, konzentrierten sich die Forschenden auf die Innenfläche jedes Rohrs.
Mithilfe eines speziellen Laserverfahrens brachten sie winzige Vertiefungen und Strukturen in das Metall ein. Diese liegen im mikroskopischen und nanoskaligen Bereich und sind mit bloßem Auge nicht sichtbar.
Die strukturierte Oberfläche bewirkt einen starken Effekt: Wasser kann kaum an ihr haften. Fachleute bezeichnen diese Eigenschaft als superhydrophob, also extrem wasserabweisend.
Eingeschlossene Luft hält das Metallrohr über Wasser
Im Wasser verhält sich das behandelte Rohr ungewöhnlich. Statt hineinzuströmen, bleibt das Wasser außerhalb des Rohrs. Im hohlen Innenraum wird eine Lufttasche eingeschlossen, die das Rohr leicht und schwimmfähig hält.
Luft wiegt deutlich weniger als Wasser. Solange sie im Rohr bleibt, kann dieses sich nicht mit Wasser füllen und sinken.
Das Prinzip findet sich auch in der Natur. Taucherglockenspinnen nehmen Luftblasen mit unter Wasser, um zu atmen. Feuerameisen verbinden sich bei Überschwemmungen miteinander, schließen Luft ein und bilden schwimmende Flöße.
„Wichtig ist, dass wir in der Mitte des Rohrs eine Trennwand eingefügt haben, sodass die Luftblase selbst dann eingeschlossen bleibt und das Rohr seine Schwimmfähigkeit behält, wenn man es senkrecht ins Wasser drückt“, sagt Guo.
Die Trennwand übernimmt dabei eine entscheidende Funktion. Sie sorgt dafür, dass die Lufttasche an ihrem Platz bleibt, auch wenn Wasser aus verschiedenen Richtungen starken Druck ausübt.
Unsinkbares Metall für Schiffe
Die meisten schwimmenden Gegenstände versagen, sobald Risse oder Löcher entstehen. Wasser dringt dann ein und verdrängt die Luft. Bei diesem System tritt dieses Problem nicht auf. Selbst wenn das Rohr schwer beschädigt wird, weist die superhydrophobe Oberfläche weiterhin Wasser ab.
„Wir haben sie über Wochen hinweg in einigen wirklich rauen Umgebungen getestet und keine Beeinträchtigung ihrer Schwimmfähigkeit festgestellt“, sagt Guo.
„Man kann große Löcher hineinstoßen, und wir haben gezeigt, dass sie selbst dann noch schwimmen, wenn man die Rohre mit so vielen Löchern wie möglich schwer beschädigt. Wenn man die Rohre mit so vielen Löchern wie möglich schwer beschädigt, schwimmen sie trotzdem“, sagt Guo.
Dieses Ergebnis überraschte viele Forschende. Löcher bedeuten normalerweise ein Versagen, doch hier bleibt die eingeschlossene Luft durch die wasserabweisende Innenfläche des Rohrs geschützt.
Höhere Stabilität in rauem Wasser
Guo und seine Forschungsgruppe stellten bereits 2019 erstmals superhydrophobe Schwimmvorrichtungen vor.
Der frühere Entwurf bestand aus zwei miteinander versiegelten, flachen wasserabweisenden Scheiben. In ruhigem Wasser war er zwar wirksam, bei extremer Neigung entstanden jedoch Probleme. Bei starken Winkeln konnte Luft entweichen.
Die Rohrkonstruktion behebt dieses Problem. Ihre zylindrische Form hält die Luft sicherer fest und widersteht Bewegungen durch Wellen. In Tests wurden die Rohre rauen Wasserbedingungen ausgesetzt, die Meeresumgebungen ähneln. Über Wochen ging keine Schwimmfähigkeit verloren.
Dadurch wird das Konzept für den praktischen Einsatz realistischer.
Von schwimmenden Rohren zu großen Plattformen
Ein einzelnes Rohr kann schwimmen, doch mehrere verbundene Rohre eröffnen neue Möglichkeiten. Das Forschungsteam koppelte mehrere Rohre zu Flößen.
Diese Flöße blieben bei Labortests stabil und konnten Gewicht tragen. In den Experimenten erreichten die Rohre Längen von nahezu einem halben Meter.
Guo sieht beim Hochskalieren keine wesentliche Hürde. Größere Ausführungen könnten schwere Geräte, Menschen oder Bauwerke tragen. Denkbare Anwendungen sind Schiffe, schwimmende Plattformen, Bojen und Offshore-Konstruktionen.
Einsatzmöglichkeiten für saubere Energie
Die Forschung verweist zudem auf erneuerbare Energien. Aus diesen Rohren gebaute Flöße können sich mit den Wellen bewegen. Dabei entsteht mechanische Energie. An den Flößen angebrachte Geräte könnten die Wellenbewegung in Strom umwandeln.
Wellenenergie ist weiterhin eine wenig genutzte erneuerbare Ressource. Diese Schwimmtechnologie könnte helfen, Energie aus Ozeanen und Flüssen dauerhafter zu gewinnen.
Die Studie verdeutlicht, wie kleine Veränderungen an Oberflächen große Wirkungen erzeugen können. Ein einfaches Metallrohr erhält nach der Behandlung die Fähigkeit, Schäden, Zeit und rauem Wasser zu trotzen und zu schwimmen.
Der Traum von sichereren schwimmenden Konstruktionen wirkt damit greifbarer denn je.
Finanziert wurde das Projekt von der National Science Foundation (NSF), der Bill and Melinda Gates Foundation sowie dem Goergen Institute for Data Science and Artificial Intelligence an der University of Rochester.
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