Knalleffekt: Heißes Plasma mit Krebsscheren

College Station (USA) - Knallkrebse verdanken ihren Namen einem in der Natur einzigartigem Kunststück. Auf der Jagd nach Beute schlagen sie ihre Scheren blitzschnell zusammen. Dabei stoßen sie einen Wasserstrahl aus. Es bildet sich eine Dampfblase, die kurz darauf mit einem lauten Knall implodiert. Forscher in Texas bauten nun erstmals diese speziellen Krebsscheren mit einem 3D-Drucker nach. Wie sie in der Fachzeitschrift „Science Advances“ berichten, konnten sie mit den künstlichen Krebsscheren ebenfalls Dampfblasen erzeugen, in denen bei der Implosion für kurze Zeit ein Leuchten und ein heißes Plasma aus geladenen Teilchen entstand.

Xin Tang und David Staack von der Texas A&M University in College Station scannten mit einem Röntgentomographen die exakte Struktur der Scheren eines Knallkrebses der Art Alpheus formosus. Aus diesen Daten errechneten sie im Computer ein dreidimensionales Modell der Krebsscheren. Es besteht aus einem Scherenfinger (Dactylus), der beim Zuklappen der Schere in eine genau passende Aushöhlung, dem Pollex, trifft. Mit einem 3D-Drucker bauten die Forscher diese bionische Struktur aus einem stabilen Polyamid-Kunststoff nach.

Wie bei der natürlichen Krebsschere wurde auch im Nachbau aus dem 3D-Drucker beim Zusammenschlagen ein Wasserstrahl durch eine Mikrometer feine Öffnung wie durch eine Düse hinausgepresst. Wegen der hohen Strömungsgeschwindigkeit des Wassers wurde der Druck stark verringert. Dabei entstand eine Dampfblase. Kollabierte diese Dampfblase, bildete sich eine laute Schockwelle und ein heißes Plasma aus geladenen Ionen. Parallel kam es zu einer Lichtemission durch Sonolumineszenz. Beim lebenden Knallkrebs wird dieser Effekt auch als Shrimpolumineszenz bezeichnet. Physikalisch handelt es sich um die Bildung von so genannten Kavitationsblasen, die auch bei schnell drehenden Schiffsschrauben beobachtet werden können.

„Wir konnten uns kaum vorstellen, dass sich mit diesem natürlichen Prozess ein so heißes, Licht emittierendes Plasma erzeugen ließe“, sagt David Staack. Nach seinen Abschätzungen sei diese Art der Plasma-Erzeugung sogar effizienter als herkömmliche Methoden mit elektrischen Feldern. Mit den Schockwellen der künstlichen Krebsscheren konnten Staack und Tang bereits kleine Steinchen zum Zerbersten bringen. In weiteren Projekten planen sie, mit den hohen Drücken und Temperaturen während der Kavitation neuartige Materialien aus einer flüssigen Lösung herzustellen. „Zudem wollen wir das Design der Krebsscheren an seine Grenzen bringen und untersuchen, wie groß die Scheren und das damit erzeugte Plasma generell werden können“, sagt Staack.