Grundlagen für technische Faserverbundverzweigungen
Ein Forschungsteam der Universität Freiburg und des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) hat Grundlagen für die Entwicklung technischer Faserverbundverzweigungen geschaffen. Diese orientieren sich an den Ast-Stamm-Anbindungen von Drachenbäumen.
Mithilfe hochauflösender Magnetresonanz-Bildgebungsverfahren gelang es den Wissenschaftlern erstmals, die Gewebeverschiebung in einem lebenden Drachenbaum unter Belastung zu beobachten. Solche technischen Faserverbundverzweigungen, die ein ähnliches Verhalten wie das natürliche Vorbild aufweisen, könnten zukünftig in architektonischen Tragwerken, Fahrradrahmen oder Autokarosserien eingesetzt werden. Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Scientific Reports“ veröffentlicht.
Neuartiger Versuchsaufbau und Beobachtungen
Für die Studie entwickelten die Arbeitsgruppen von Prof. Dr. Thomas Speck, Leiter der Plant Biomechanics Group und Direktor des Botanischen Gartens der Universität Freiburg, sowie Prof. Dr. Jan G. Korvink, Leiter des Instituts für Mikrostrukturtechnik am KIT, einen neuartigen Versuchsaufbau. Zunächst bildeten die Biologin Linnea Hesse von der Universität Freiburg und der Medizinphysiker Dr. Jochen Leipold vom Universitätsklinikum Freiburg das Innere von Stamm und Ast eines Drachenbaums mittels Magnetresonanztomographen (MRT) im unbelasteten Zustand ab.
Anschließend wurde der Ast mit einem mechanischen, extern gesteuerten Arm verbogen und die inneren Strukturen der Pflanze erneut erfasst. Aus den beiden Bildersätzen erstellten die Wissenschaftler dreidimensionale Computermodelle. Diese Modelle ermöglichten den Vergleich des Verhaltens des stabilisierenden Gewebes und dessen Verschiebung unter Belastung. Dabei wurden sowohl die Leitbündel, die Stoffe und Flüssigkeiten transportieren, als auch die sie umgebenden und festigenden Faserkappen untersucht.
Die Wissenschaftler betrachteten sowohl die gesamte Ast-Stamm-Anbindung als auch einzelne Leitbündel, um Veränderungen zwischen unbelastetem und belastetem Zustand präzise zu erfassen. Je nach Lage in der Verzweigung werden die Bündel und Kappen teilweise längs gedehnt, um Zuglasten aufzunehmen, oder quer gegen das umliegende Gewebe gedrückt, um Druckkräfte abzufedern. Diese Erkenntnisse bilden die Basis für die Übertragung auf technische Faserverbundverzweigungen, mit dem Ziel, leichte und stabile Werkstoffe nach dem Vorbild der Natur weiter zu optimieren.