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Wie U-Boote so feinfühlig wie Thunfische werden

Tauchfahrzeuge könnten die Strömung in ihrer Umgebung in Zukunft mit Sensoren erfassen – auf ähnliche Weise, wie Fische Wasserbewegungen wahrnehmen.

Kandidat für künftige Sensoren: Ein Unterwasser-Fahrzeug mit Sonar in den «Flügeln».
Kandidat für künftige Sensoren: Ein Unterwasser-Fahrzeug mit Sonar in den «Flügeln».
Bluefin

Verglichen mit einem Thunfisch ist selbst ein U-Boot mit modernsten Sonarsystemen und anderer Navigationstechnik ein plumpes Meeresungeheuer. Schliesslich nehmen Fische noch den kleinsten Hauch von Strömungen wahr – mit Hilfe des so genannten Seitenlinienorgans, dessen kleine Haarzellen, in einer Kappe aus Gallert namens Cupula liegend, jede Bewegung registrieren und als Signal an das Nervenzentrum weiterleiten.

Ein Forscherteam um Michael McConney und Vladimir Tsukruk vom Georgia Institute of Technology in Atlanta versucht seit geraumer Zeit, dieses natürliche Vorbild technisch zu imitieren. Wie der britische «New Scientist» nun auf der Basis eines Fachartikels im Magazin «Soft Matter» berichtete, montierten die Ingenieure zunächst winzige Kunststoff-Fasern auf ein piezoelektrisches Material, das bei einer Verformung eine Spannung abgibt – ein Sensor, der in Experimenten erst dann reagierte, wenn das Wasser schneller als mit 100 Mikrometern pro Sekunde an ihm entlang floss.

Einfache Massnahme mit starkem Effekt

Um die Empfindlichkeit weiter zu steigern, orientierten sich die Ingenieure noch näher am natürlichen Vorbild. Sie umgaben die Kunststoffhaare mit einem Hydrogel, das – wie die Cupula beim Fisch – die Verbindung zwischen Wasser und den Haaren verbessert und die Kraft erhöht, mit der die Strömung an der Haarwurzel «zieht». Das Resultat: In dieser Variante registrierte der Sensor eine Strömungsgeschwindigkeit von 2,5 Mikrometern pro Sekunde – 40-mal so empfindlich wie zuvor.

Auswertung der Daten noch ungelöst

Verglichen mit dem natürlichen Vorbild sind die künstlichen Haare des Sensors dennoch grob geraten und zudem fünfmal so lang. Für künftige Einsätze, etwa an der Aussenhaut von automatischen Unterwasserfahrzeugen, müssten sie freilich auch länger sein als bei kleinen Fischen, erklärte Entwickler Tsukruk gegenüber dem «New Scientist».

Doch solche Fragen stellen sich ohnehin noch nicht. Für den praktischen Einsatz fehlt den Sensoren schliesslich noch ein «Gehirn» – in Form eines Computerprogramms, das aus den elektrischen Signalen von vielen künstlichen Haaren berechnen kann, wie stark die Strömung an welchen Stellen fliesst.

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