Inspiriert ein Tiefseeschwamm die Gestaltung zukünftiger mechanischer Strukturen?
Ein gläserner Schwamm, der in den Tiefen des Pazifiks lebt, inspiriert zu einer neuen Sichtweise auf die Gestaltung von Gebäuden und anderen vom Menschen geschaffenen Strukturen. Seit seiner Entdeckung hat der Venusblütenkorb, wie der Schwamm Euplectella aspergillum gemeinhin genannt wird, vor allem wegen seiner Struktur wissenschaftliches Interesse auf sich gezogen. Er besteht aus einem hochflexiblen, weißen, zylindrischen Gitter aus Kieselsäure. Ein internationales Forschungsteam, das zum Teil durch das EU-finanzierte Projekt COPMAT unterstützt wird, hat sich nun auf einen weitgehend unerforschten Aspekt des Tiefseeschwamms konzentriert – die hydrodynamischen Felder, die ihn umgeben und durchdringen. Das Forschungsteam aus Australien, Italien und den Vereinigten Staaten wollte herausfinden, ob die skelettalen Charakteristika des Schwamms neben der Verbesserung seiner mechanischen Eigenschaften auch für die optimierte Strömungsphysik innerhalb und außerhalb seiner Körperhöhle verantwortlich sind. Die Ergebnisse zeigen eine enge Verbindung zwischen der Struktur und der Funktion des Schwamms und geben Aufschluss darüber, wie das gitterartige Skelett dazu beiträgt, die hydrodynamische Belastung durch den umgebenden Ozean zu verringern. Sie lassen außerdem erkennen, warum das Skelett in der Lage ist, einen nährstoffreichen Wirbel im Inneren des Schwamms bei niedriger Strömungsgeschwindigkeit zu erzeugen. Die Studie wurde in der Fachzeitschrift „Nature“ veröffentlicht.
Die Wasserströmung in der Umgebung des Tiefseeschwamms simulieren
Für seine Untersuchungen nutzte das Team den Supercomputer MARCONI100 mit 21,6 Petaflop, der im Hochleistungsrechenzentrum Cineca in Italien installiert ist, und eine spezielle Software, die von Giorgio Amati, dem Technischen Leiter bei Cineca und Mitautor der Studie, entwickelt wurde. Mithilfe dieses Computerarsenals haben die Forschenden erstmals den Venusblütenkorb, seine Reaktion und seinen Einfluss auf die umgebende Wasserströmung am Tiefseeboden simuliert. Die Simulationen beruhten auf der Lattice-Boltzmann-Methode, die zur Abbildung des dynamischen Verhaltens von Flüssigkeitsströmungen verwendet wird. „Durch die Untersuchung des Flüssigkeitsflusses innerhalb und außerhalb der Körperhöhle des Schwamms haben wir Spuren einer erwarteten Anpassung an die Umwelt aufgedeckt“, erklärt Studien-Mitautor Prof. Maurizio Porfiri von der New York University in einer auf der Website des Istituto Italiano di Tecnologia veröffentlichten Pressemitteilung. „Die Struktur des Schwamms trägt nicht nur zu einem geringeren Strömungswiderstand bei, sondern erleichtert auch die Entstehung von Wirbeln mit geringer Geschwindigkeit in der Körperhöhle, die zur Ernährung und Fortpflanzung genutzt werden“, fügt Prof. Porfiri hinzu. Laut dem Hauptautor der Studie, Dr. Giacomo Falcucci von der Universität Tor Vergata in Rom und der Harvard University, hat die Untersuchung des Teams „zahlreiche Auswirkungen auf die Konstruktion von Hochhäusern bzw. wirklich jeder mechanischen Struktur, von Wolkenkratzern bis hin zu neuartigen Strukturen mit geringem Widerstand für Schiffe oder Flugzeugrümpfe.“ Dr. Falcucci verdeutlichte seine Aussage anhand einiger interessanter Beispiele: „Wird der Luftwiderstand von Hochhäusern, die mit einer ähnlichen Gitterstruktur aus Rippen und Löchern gebaut sind, geringer sein? Wird die Verteilung der angewandten Kräfte optimiert? Die Beantwortung genau dieser Fragen ist ein übergeordnetes Ziel des Teams.“ „Diese Arbeit dient als beispielhafte Anwendung der diskreten Strömungsdynamik im Allgemeinen und der Lattice-Boltzmann-Methode im Besonderen“, so der leitende Mitautor Dr. Sauro Succi vom COPMAT-Projektträger Istituto Italiano di Tecnologia und der Harvard University. „Die Genauigkeit der Methode in Verbindung mit dem Zugang zu einem der besten Supercomputer der Welt erlaubt es uns, Berechnungen, die Aufschluss über die Rolle von Flüssigkeitsströmungen bei der Anpassung lebender Organismen in der Tiefe geben, auf einem bisher unerreichten Niveau durchzuführen.“ Das auf fünfeinhalb Jahre angelegte Projekt COPMAT (Full-scale COmputational design of Porous mesoscale MATerials) endet im Jahr 2023. Weitere Informationen: COPMAT-Projektwebsite
Schlüsselbegriffe
COPMAT, Schwamm, Euplectella aspergillum, Venusblütenkorb, Struktur, Strömung
