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Wie Fruchtschalen Autofahrer in Zukunft vor Verletzungen schützen können

Forscher entschlüsseln die Eigenschaften von Schutzhüllen, die die Natur geschaffen hat. Die Schale einer Zitrusfrucht federt einen Aufpall aus zehn Metern Höhe ab und die Schale der Makadamia-Nuss lässt sich kaum zerschlagen.

Wenn eine Pomelo, die größte aller Zitrusfrüchte, aus zehn Metern auf einen Betonboden prallt, bleibt der Inhalt heil. Schlägt man mit einem Hammer auf eine Makadamia-Nuss, bricht die Schale nicht. Immun ist sie auch gegen Stiche mit spitzen Waffen. Forscher der Technischen Universität Berlin, der Technischen Hochschule Aachen und der Universität Freiburg wollten wissen, wie diese natürlichen Schutzmechanismen aufgebaut sind. Wenn die Natur ihre Geheimnisse preisgibt, lassen sich Schichten mit ähnlichen Eigenschaften entwickeln, um Schutzhelme damit auszustatten oder auch stichfeste Kleidungsstücke. Im Auto könnten sie als effektivere Energieabsorber eingesetzt werden, die die Insassen bei Unfällen besser schützen.

Unterschiedliche Farben und Strukturen (Bild: Fruitleather Rotterdam)

Unterschiedliche Farben und Strukturen (Bild: Fruitleather Rotterdam)

Raffiniert angelegte Poren schützen von Beschädigungen

Zuerst nahmen sich die Wissenschaftler die zwei bis drei Zentimeter dicke Schale der Pomelo vor. „Die hohe und effiziente Energieabsorption der Pomelo-Schale liegt in ihrer inneren Struktur begründet“, sagt Paul Schüler vom Fachgebiet Werkstofftechnik der TU Berlin. Rasterelektronen- und lichtmikroskopische sowie computertomografische Untersuchungen zeigten, dass der äußere Randbereich sehr fein- und der mittlere großporig ist. Im Übergangsbereich zum Fruchtfleisch hin sind die Poren langgestreckt.

Zudem ist die Schale von steifen und sich verzweigenden Faserbündeln durchzogen, die senkrecht zur Außenseite der Schale verlaufen. „Das enorme spezifische Energieabsorptionsvermögen der Schale wird aber ganz offensichtlich durch die Stege der Schaumstruktur erzeugt. Diese sind innen hohl und mit einer Flüssigkeit gefüllt. Beim Aufprall wird die Flüssigkeit von einem Steg in den anderen gedrückt und bewirkt die stoßdämpfende Eigenschaft“, sagt Schüler.

Einfach nachbauen geht nicht

Ähnlich akribisch untersuchten die Forscher die Makadamia-Schale. Sie besteht aus sieben unterschiedlichen Schichten. Die oberen sind am wichtigsten für die überragenden Eigenschaften. Die äußere Schale weist kugel- bis kartoffelförmige, sogenannte Sklereid-Zellen, mit dicken Zellwänden auf. Dahinter folgt eine dicke Schicht mit ineinander verflochtenen Sklerenchymfasern. Sklereide und Sklerenchym sind pflanzliches Festigungsgewebe. „Die Festigkeit der Macadamia-Schale beruht nicht auf der Dicke der Schale, sondern auf ihrer Faserstruktur, die andere Nussschalen nicht aufweisen“, sagt Schüler.

„Die Pomelo- und Macadamia-Schalen sind herausfordernde Inspirationsquellen für die bionische Entwicklung von Schutz- oder Behältermaterialien“, so Schüler. Sie nachbauen geht allerdings nicht. Dafür sind sie zu komplex. Die Forscherwollen jetzt herausfinden, wie weit sie die natürlichen Strukturen so vereinfachen können, dass die Eigenschaften erhalten bleiben und das Material kostengünstig herstellbar ist.

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