Teuflisch stabil

Der Panzer einer amerikanischen Käferart dient als Vorbild für stabilere, bionische Werkstoffe
Die Deckflügel dieses flugunfähigen Käfers der Art Phloeodes diabolicus bildet ein enorm stabiles Exoskelett. Dessen Aufbau könnte zu stabileren Strukturen im Flugzeugbau führen.
Die Deckflügel dieses flugunfähigen Käfers der Art Phloeodes diabolicus bildet ein enorm stabiles Exoskelett. Dessen Aufbau könnte zu stabileren Strukturen im Flugzeugbau führen.
© David Kisailus, UC Irvine
Riverside (USA) - Wer hierzulande versehentlich auf einen Bodenkäfer tritt, besiegelt meistens dessen Schicksal. Doch eine amerikanische Käferart kann sich deutlich besser schützen und überlebt selbst das Überfahren mit einem Auto. Verantwortlich dafür ist ein besonders stabil strukturiertes Exoskelett, das nun Materialforscher in Kalifornien näher untersucht haben. Wie sie in der Fachzeitschrift „Nature“ berichten, liefert ihnen der natürliche Käferpanzer eine Blaupause, um beispielsweise Faserwerkstoffe für den Flugzeugbau stabiler miteinander verknüpfen zu können.

Nur etwa zwei Zentimeter lang ist der Käfer der Art Phloeodes diabolicus. Sein englischer Trivialname „Diabolical Ironclad Beetle“ lässt sich am besten mit Teuflischer Eisen- oder Panzerkäfer übersetzen. David Kisailus und seine Kollegen von den Universities of California in Riverside und in Irvine analysierten zuerst, welchen Belastungen das Exoskelett des Käferpanzers genau standhalten konnte. Erst ab 149 Newton, also unter dem Druck einer Masse von etwa 15 Kilogramm, gab der Panzer nach und zerbrach. Das entspricht dem 39.000-fachen des Körpergewichts des Käfers.

Mit vielfältigen Methoden bis hin zu Röntgenaufnahmen mit mikroskopischer Auflösung suchten die Forscher nach den Gründen für diese ungewöhnliche Stabilität. Allein die chemische Zusammensetzung der harten Deckflügel aus Chitin und Proteinen konnte die Stabilität nicht erklären. Denn diese ähnelt der von deutlich weniger widerstandsfähigen Käfern. Dafür wies die Struktur der Deckflügel ungewöhnliche Details auf: So waren die beiden Deckflügel des flugunfähigen Käfers wie die Teile eines Puzzle-Spiels stabil miteinander verknüpft. Detaillierte Röntgenbilder zeigten zudem einen vielschichtigen Aufbau der Deckflügel. Unter Belastung verschoben sich diese mikroskopisch dünnen Schichten etwas gegeneinander und konnten so ein Zerbrechen des Panzers verhindern.

Diese Mikrostruktur und Verknüpfungstechnik ahmten Kisailus und Kollegen mit zwei Werkstücken – das eine aus Aluminium, das andere aus kohlefaserverstärkten Kunststoff – nach. Erste Belastungverusche belegten, dass diese bionisch inspirierte Verknüpfung zwischen den Werkstücken sogar stabiler war als Verbindungen mit bisher in der Industrie genutzten, sogenannten Fügetechniken. „Diese Studie vereint Biologie, Physik, Mechanik und Materialforschung miteinander“, sagt Kisailus. Aus seiner Sicht ist es durchaus möglich, dass die Stabilitätstricks der Käfer zu leichteren und stabileren Strukturen beispielsweise im Flugzeugbau führen könnte.

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