Bionik: Der Krebs, der Plasma kann

Es ist eigentlich eine außer­gewöhnliche Art des Beute­fangs: der über­wiegend in tropischen Korallen­riffen beheimatete Pistolen­krebs erzeugt mit seiner über­dimen­sionier­ten Schere laute Knall­geräusche. Die daraus entstehende Druck­welle kann kleine Krabben, Würmer oder Krebse betäuben. So werden sie zur leichten Beute für den schlechten Schwimmer, der diese in der Natur einzig­artige Taktik auch als Waffe gegen größere Tiere einsetzt.

Das dieser Jagd­methode zugrunde liegende physikalische Phänomen heißt Kavitation. Eine durch schnelle Bewegungen erzeugte Drucker­höhung senkt die Siede­temperatur in Flüssig­keiten – in diesem Fall Wasser – so weit herab, dass Dampf­blasen in ihr entstehen. Die Kavitations­blase nimmt aufgrund der größeren räumlichen Aus­dehnung der Gasphase mehr Raum ein als die sie verursachende Wasser­menge. Kühlt sie ab, kondensiert das Wasser und die Blase fällt abrupt in sich zusammen. Das umliegende Wasser strömt schlagartig in den freigewordenen Raum und löst dabei eine Druck­welle mit hohen Druck­spitzen aus, die – wie beim Ultraschall­bad gewünscht – Material reinigen, oder – wie in der Schiff­fahrt gefürchtet – Material beschädigen kann.

Der Pistolen­krebs produziert diese Kavitations­blase, indem er seine Schere kraftvoll und schnell schließt und dadurch einen extrem schnellen Wasser­strahl ausstößt. Dabei schützt die im Laufe der Evolution hervorgegangene Morphologie die Schere selber vor Verletzungen durch Kavitation, indem der Winkel zwischen Ausstoß­richtung des Wassers und Rotations­ebene der Stempels von ungefähr 25° beträgt. Die Kavitationsblase bildet sich so in ausrei­chen­dem Abstand vor der geschlossenen Schere.

Mit dieser Methode erzeugt der Pistolenkrebs jedoch nicht nur Schall mit einem Pegel von 250 dB – er kann auch Plasma. Der Verdichtungsprozess beim Kavitations­aufbau ist so intensiv, dass Gase innerhalb der Kavitations­blase ausreichend hohe Temperaturen erreichen, um Plasma- und Licht­emissionen hervorzurufen.

Und dabei zeigt sich, dass die Natur Plasma in Flüssigkeiten effizienter erzeugen kann als es vom Menschen entwickelte Geräte können. Unter Verwendung additiver Fertigungs­methoden ist es nun einer Forscher­gruppe der Texas A & M University gelungen, die Schere eines Pistolen­krebses nachzubauen und den Mechanismus der Schall- und Plasma­erzeugung im Labor nachzustellen.

Computer­tomo­graphische Aufnahmen der Original-Krebs­schere gaben Informa­tionen zum Bau der Schere, die im 3D-Druck­verfahren fünffach vergrößert hergestellt wurde. Eine eigens entwickelte Feder­halterung gewährleistet, dass die Schere mit entsprechender Kraft und Geschwin­digkeit betätigt werden kann, um den gewünschten Hoch­geschwindig­keits-Wasser­strahl zu erzeugen, der der Kavitations- und Reynoldszahl des von den Krebsen erzeugten Strahls ent­spricht. Die mit dieser Vor­richtung erzeugten Licht­emissionen und Druck­­wellen wurden aufgezeichnet. Im Gegensatz zu lebendigen Pistolen­krebsen, die auf Meer­wasser­bedingungen angewiesen sind, ermöglicht die künstliche Pistolen­krebs­schere Unter­suchungen zur Schall- und Plasma­erzeugung in verschie­densten Flüssig­keiten und unter Zugabe von Gasen. Experimente mit Salz- sowie destilliertem Wasser, unter Zugabe von Luft oder Argon zur Erhöhung der Plasma­aktivität wurden bereits durchgeführt.

Die Ergebnisse zeigen, dass die Schall- und Plasma­erzeugungs­technik der Krebse mit der künstlichen Schere reproduziert wird, aber auch, dass die natürliche Generation des Unter­wasser­plasmas effizienter ist als die bisher techno­logisch realisierten Methoden.

So sehen Tang und Stack denn auch noch Entwicklungs­potential in ihrer Apparatur, die zukünftig auch für ver­schie­denste Anwendungen eingesetzt werden soll. So können mit dieser Methode beispielsweise Gesteine zertrümmert werden, was von der Nieren­stein­entfernung bis hin zu geo­logischen Bor­vor­gängen eine interessante Verstärkung bestehender Verfahren in Aussicht stellt. Auch bei der plasma­gestützten Her­stellung von Nano­partikeln aus Lösungen kann das Pistolen­krebs-Verfahren mit der Bereit­stellung kleiner Plasma­phasen neue Möglichkeiten eröffnen.

TAMU / LK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  X. Tang and D. Staack: Bioinspired mechanical device generates plasma in water via cavitation, Science Advances 5, (3) eaau7765 (2019); DOI: 10.1126/sciadv.aau7765
• Texas A&M University (TAMU), Department of Mechanical Engineering
• Datensatz zum Nachbau der Pistolenkrebsschere

Weitere Beiträge

• Blitze aus der Blase (pro-physik.de, 15.2.2019)
• Leuchtende Blasen in freier Wildbahn (pro-physik.de, 2.3.2017)