Künstlicher Baum lässt die Säfte schießen

Die Kapillaren in synthetischen Blättern ziehen das Wasser in die Höhe.

Bäume können mehr als 100 Meter hoch werden. In solch schwindelerregende Höhen müssen sie das von den Wurzeln aufgenommene Wasser zu den Blättern transportieren, wo es verdunstet. Dieser Transportvorgang, der auf interessanter Kapillarphysik beruht, ist intensiv von Biologen untersucht worden. Zu seiner Erklärung haben sie ein Modell entwickelt, dass gelegentlich von Physikern angezweifelt wurde. Doch jetzt haben Forscher der Cornell University an einem künstlichen Baum den Wassertransport studiert und dabei das Erklärungsmodell der Biologen bestätigt gefunden.

Wie transportieren Bäume das Wasser von den Wurzeln zu den Blättern? Dass es in den Wurzeln eine „Pumpe“ gibt, die das Wasser nach oben drückt, kann man ausschließen. Die Säfte steigen auch in Bäumen hoch, deren Wurzeln abgeschnitten wurden. Der Luftdruck könnte das Wasser ohne Zwischenstopp nur etwa 11 Meter nach oben befördern. Dass der Transport in höheren Bäumen über mehrere Zwischenschritte erfolgt, dafür gibt es indes keine Anzeichen. Demnach wird das Wasser nach oben gezogen. Die Biologen machen dafür Kapillarkräfte verantwortlich, die in ähnlicher Weise auch das Wachs im Kerzendocht nach oben ziehen.

In einer benetzbaren Röhre wird das Wasser von den Wänden angezogen und steigt ein wenig an ihnen hoch, sodass sich ein Meniskus bildet. Der erzielte Energiegewinn wird durch die Erhöhung der Oberflächenenergie und der potentiellen Energie im Schwerefeld wettgemacht. In einer etwa 3 µm weiten Kapillare steigt das Wasser 10 m hoch. Der Kapillareffekt erzeugt dabei einen Unterdruck von 0,1 MPa, der das Wasser nach oben zieht. Der Atmosphärendruck hält ihm die Waage, sodass das Wasser in der Kapillare einem verschwindenden Druck ausgesetzt ist. In engeren Kapillaren wird der Druck im Wasser sogar negativ und es steigt höher als 10 m.

Die Kapillaren zwischen den gut benetzbaren Mikrofasern der Blätter sind ca. 10 nm eng. Der von ihnen erzeugte Unterdruck zieht das Wasser durch die Transportkanäle im Stamm des Baumes. Der Unterdruck könnte das Wasser 3 km hochziehen, sieht man von auftretenden Reibungskräften ab. In den Kanälen herrscht ein Unterdruck von ca. 2 MPa, es können aber auch bis zu 12 MPa auftreten, wenn ein Baum das Wasser aus sehr trockenem Boden „saugen“ muss. Wird der Unterdruck im Wasser jedoch zu groß, so kommt es zur Kavitation und es bilden sich Gasblasen, die den Transport durch die Kapillaren verhindern. Das wurde oft als Argument gegen diese Erklärung vorgebracht.

Tobias Wheeler und Abraham Stroock haben einen synthetischen Baum hergestellt, der statt Wurzeln und Blätter zwei Netze von 10 µm weiten Röhren hatte, die durch eine einzelne Röhre, den Stamm, miteinander verbunden waren. Die Röhrennetze befanden sich in Schichten aus Hydrogel, einem wasserdurchlässigen Polymergeflecht mit nanometerfeinen Kanälen. Es wurde dafür gesorgt, dass alle Röhren mit Wasser gefüllt waren. Während das Wurzelhydrogel mit Wasser beträufelt wurde, hielten die Forscher das Blatthydrogel mit einem Luftstrom trocken. Der Kapillareffekt in den Hydrogelschichten führt dazu, dass das aufgeträufelte Wasser in die Wurzelkanäle gezogen wurde, wo es der starke Unterdruck, den das Blatthydrogel erzeugte, durch die Wurzeln und den Stamm zu den Blättern zog. Dort entwich es durch das Blatthydrogel und verdunstete. In den Röhren kam es zu einem lebhaften Wassertransport, wobei negative Drücke von bis zu –1 MPa auftraten.

Abb.:  Verbindet man zwei Netze von 10 µm weiten Röhren (rechts), die durch eine einzelne Röhre, miteinander verbunden sind, so erhält man einen synthetischen Baum. (Quelle: Wheeler, Stroock)

In einem zweiten Experiment untersuchten die Forscher, bei welchem negativen Druck es im wasserhaltigen Hydrogel zur Kavitation kommt. Dazu präparierten sie etwa 100 µm große Hohlräume im Gel, die sich mit Wasser füllten, und setzten es Luft mit unterschiedlicher Feuchtigkeit aus. Durch den Kapillareffekt entstanden im Hydrogel Unterdrücke von bis zu –38 MPa! Die Hohlräume hielten diesem enormen Unterdruck zwar stand und kollabierten nicht, doch bei etwa –21 MPa entwich das Wasser aus ihnen. Es war zur Kavitation gekommen. Sie trat jedoch erst bei einem viel größeren Unterdruck auf, als er nötig ist, die Säfte in einem Mammutbaum 100 Meter hoch steigen zu lassen.

Die Forscher sehen damit die Erklärung der Biologen für den Wassertransport in den Bäumen bestätigt. Zugleich haben sie aber auch einen einfachen Weg gefunden, große Unterdrücke herzustellen, wie man sie u. a. bei Flüssigkeits-Chromatographie benötigt. Außerdem eröffnen sich neue Möglichkeiten, Wasser aus trockenen Böden zu ziehen und zu reinigen.

Rainer Scharf

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Tobias D. Wheeler & Abraham D. Stroock: The transpiration of water at negative pressures in a synthetic tree. Nature 455, 208 (2008).
  http://dx.doi.org/10.1038/nature07226
• Gruppe von Abraham Stroock an der Cornell University:
  http://www.cheme.cornell.edu/cheme/people/profile/index.cfm?netid=ads10