Forscher der ETH Zütich haben mit einem interessanten Ansatz den Weg zu einem Miniatur-U-Boot geebnet, das ganz ohne Motor, Treibstoff oder Strom auskommt. Dabei werden künstliche Muskeln mit Formgedächtnis eingesetzt. Die nötige Energie beziehen die Strukturen aus Temperaturunterschieden.


Bild: Tim Chen/ETH Zürich

Temperaturunterschied als Antrieb

Auf den ersten Blick macht das Mini-U-Boot der Züricher Forscher nicht viel her. Doch wie so oft verrät erst ein zweiter Blick, wieso das Konzept so interessant ist. Das 7,5 Zentimeter lange Plastikgefährt ist im 3D-Drucker entstanden und verfügt über je zwei etwa 5 Zentimeter lange Paddel auf jeder Seite. Die Antriebselemente sind zwischen Rumpf und Paddel befestigt und beherbergen das Geheimnis, dass das Mini-U-Boot so vielversprechend macht. Ihr Herzstück sind Kunststoffmuskeln mit einem Formgedächtnis, die das Boot ganz ohne Treibstoff oder Strom antreiben können.

Um einen Paddelschlag durchführen zu können, wird ein Temperaturwechsel benötigt. Die Erwärmung des umliegenden Wassers führt dazu, dass die streifenförmigen Muskeln sich ausdehnen und schließlich gegen ein Hubelement drücken. Dieses klappt dann um und löst einen Paddelschlag aus, was Vortrieb erzeugt.


Die Forscher konnten mit dieser Methode bereits komplexere Bewegungsabläufe realisieren. Sie ließen eines der Boote etwa mit einem Paddelschlag nach vorne fahren, eine Münze abwerfen und anschließend wieder einen Paddelschlag rückwärts durchführen. Die Bewegungsabläufe realisierten die Forscher, indem sie künstliche Muskeln mit verschiedenen Durchmessern nutzten, die dann unterschiedlich schnell reagierten.

Kunststoffmuskel nach Origami-Prinzip

Momentan müssen die Forscher die Hubelemente im Anschluss von Hand zurückgesetzt werden. Eine Methode für repetitive Paddelschläge gibt es noch nicht. ETH-Professorin Kristina Shea glaubt dennoch an das Projekt: „ Das Zentrale unserer Arbeit ist, dass wir eine neue und vielversprechende Antriebsart entwickelt haben, die vollständig 3D-gedruckt ist und ohne externe Stromquelle auskommt„, so die Forscherin. Es sei etwa denkbar, die künstlichen Muskeln auf Gradienten im Säuregrad oder im Salzgehalt des Wassers reagieren zu lassen.

Auch in den USA wird mit künstlichen Muskeln geforscht. Am MIT in Massachusetts lassen sich Forscher von Origami inspirieren und knicken Kunststofffolie so, dass sie eine akkordeonähnliche Sturktur bildet. Aschließend wird mit einer Pumpe und einem Kunststoffbeutel ein Vakuum erzeugt, woraufhin sich der Beutel um das Kunststoffskelett zusammenzieht und eine Hebebewegung erzeugt. So können die Forscher mit einer 2,6 Gramm schweren Konstruktion bis u 2,6 Kilogramm anheben. Wenn wieder Luft in den Beutel zieht, kehrt das System in den Ursprungszustand zurück.

Beide Ansätze verfolgen interessante Ideen, die in den Antriebskonzepten der Zukunft zum Einsatz kommen könnten.

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