Die „Nullenergie“-Strömungskontrolle von Tiefseeschwämmen könnte neue energieeffiziente Designs inspirieren

Der Venusblumen-Korbschwamm mit seinem zarten, glasartigen Gitteraußenskelett hat Forscher schon lange fasziniert, die versuchen zu erklären, wie der Körper dieser zerbrechlich wirkenden Kreatur den rauen Bedingungen der Tiefsee, in der sie lebt, standhalten kann.

Jetzt enthüllt eine neue Forschung eine weitere technische Meisterleistung der Struktur dieses uralten Tieres: seine Fähigkeit, Futter nur mithilfe der schwachen Umgebungsströmungen der Meerestiefen zu filtern, ohne dass Pumpen erforderlich sind.

Diese Entdeckung der natürlichen „Nullenergie“-Strömungskontrolle durch ein internationales Forschungsteam unter der gemeinsamen Leitung der Universität Tor Vergata in Rom und der NYU Tandon School of Engineering könnte Ingenieuren dabei helfen, effizientere chemische Reaktoren, Luftreinigungssysteme, Wärmetauscher und hydraulische Systeme zu entwerfen. und aerodynamische Oberflächen.

In einem Studie veröffentlicht in Briefe zur körperlichen UntersuchungMithilfe extrem hochauflösender Computersimulationen fand das Team heraus, wie die Skelettstruktur des Venusblumen-Korbschwamms (Euplectella aspergillum) sehr langsame Tiefseeströmungen umleitet, um nach oben in seine zentrale Körperhöhle zu fließen, sodass er sich von Plankton und anderen Meeresabfällen ernähren kann es filtert aus dem Wasser.

Der Schwamm transportiert dies über seine spiralförmige, geriffelte Außenfläche, die wie eine Wendeltreppe funktioniert. Dadurch kann es passiv Wasser durch seinen porösen, gitterartigen Rahmen nach oben ziehen, und das alles ohne den Energieaufwand für das Pumpen.

„Unsere Forschung löst eine Debatte, die in den letzten Jahren aufgetaucht ist: Der Korbschwamm der Venusblume ist möglicherweise in der Lage, Nährstoffe passiv und ohne aktiven Pumpmechanismus aufzunehmen“, sagte Maurizio Porfiri, Professor am NYU Tandon Institute und Direktor des Center for Urban Science + Progress (CUSP), der die Studie mitleitete und die Forschung mitbeaufsichtigte. „Es ist eine unglaubliche Anpassung, die es diesem Filtrierer ermöglicht, in Strömungen zu gedeihen, die normalerweise für die Suspensionsfütterung ungeeignet sind.“

Bei höheren Strömungsgeschwindigkeiten trägt die Gitterstruktur dazu bei, den Widerstand auf den Organismus zu verringern. Aber gerade in der nahezu Stille des Tiefseebodens ist dieses natürliche Belüftungssystem am bemerkenswertesten und zeigt, wie gut sich der Schwamm an seine raue Umgebung anpasst. Die Studie ergab, dass die Fähigkeit des Schwamms, passiv Nahrung aufzunehmen, nur bei den sehr langsamen Strömungsgeschwindigkeiten – nur Zentimeter pro Sekunde – seines Lebensraums funktioniert.

„Aus technischer Sicht zeigt das Skelettsystem des Schwamms bemerkenswerte Anpassungen an seine Umgebung, nicht nur aus struktureller Sicht, sondern auch hinsichtlich seiner strömungsdynamischen Leistung“, sagte Giacomo Falcucci von der Universität Tor Vergata in Rom und Harvard University, der Erstautor der Arbeit.

Zusammen mit Porfiri leitete Falcucci gemeinsam die Studie, überwachte die Forschung und entwarf die Computersimulationen. „Der Schwamm hat eine elegante Lösung gefunden, um die Nährstoffversorgung zu maximieren und dabei vollständig auf passiven Mechanismen zu basieren.“

Forscher nutzten den leistungsstarken Leonardo-Supercomputer am CINECA, einem Superrechenzentrum in Italien, um eine äußerst realistische 3D-Nachbildung des Schwamms zu erstellen, die rund 100 Milliarden einzelne Punkte enthält, die die komplexe helikale Kammstruktur des Schwamms nachbilden. Dieser „digitale Zwilling“ ermöglicht Experimente, die bei lebenden Schwämmen, die außerhalb ihrer Tiefseeumgebung nicht überleben können, unmöglich sind.

Das Team führte hochdetaillierte Simulationen des Wasserflusses um und innerhalb des Computermodells des Skeletts des Venusblumenkorbschwamms durch. Mit Leonardos enormer Rechenleistung, die Billiarden Berechnungen pro Sekunde ermöglicht, konnten sie ein breites Spektrum an Wasserströmungsgeschwindigkeiten und -bedingungen simulieren.

Die Forscher sagen, dass die Erkenntnisse der biomimetischen Technik, die sie gewonnen haben, bei der Konstruktion effizienterer Reaktoren helfen könnten, indem sie die Strömungsmuster im Inneren optimieren und gleichzeitig den Luftwiderstand außen minimieren. Ähnliche geriffelte, poröse Oberflächen könnten Luftfilter- und Belüftungssysteme in Wolkenkratzern und anderen Bauwerken verbessern. Die asymmetrischen, spiralförmigen Rippen können sogar Rümpfe oder Rümpfe mit geringem Luftwiderstand inspirieren, die stromlinienförmig bleiben und gleichzeitig die Luftströmung im Inneren fördern.

Die Studie baut auf früheren Untersuchungen des Teams zu Venusblumenkorbschwämmen auf, die in veröffentlicht wurden Natur im Jahr 2021, in dem es enthüllte, dass es eine erste Simulation des Tiefseeschwamms und seiner Reaktion auf die Strömung von nahegelegenem Wasser erstellt hatte und diese beeinflusste.