Die Widerstandsfähigkeit der Blätter gegenüber Regentropfen bietet Einblicke in das Energiegewinnungspotenzial

Für ein Blatt entspricht die Masse eines fallenden Regentropfens der Masse einer Bowlingkugel, die auf einen Menschen fällt – wie überlebt das Blatt also? Neue Forschungsergebnisse verdeutlichen die Wirkung des Regentropfens und die physikalische Dynamik, die die Reaktion des Blattes unterstützt, mit potenziellen Anwendungen für die Landwirtschaft und die Gewinnung erneuerbarer Energien.

In der Arbeit „Resonance and Damping in Drop-Cantilever Interactions“ veröffentlicht In Flüssigkeiten zur körperlichen UntersuchungMithilfe von Hochgeschwindigkeitsfotografie erfassen und analysieren Forscher den Aufprall eines Wassertropfens, der auf einen Kunststoffbalken trifft, und messen dabei sowohl die Vibrationen des Balkens als auch die Verformungen des Tropfens als Reaktion auf den Aufprall.

Der leitende Autor Sunghwan Jung, Professor für Bio- und Umwelttechnik an der Hochschule für Landwirtschaft und Biowissenschaften, verglich den Balken mit einem Sprungbrett.

Nachdem der Drop getroffen wurde, „geht das Board nach unten, der Drop wird nach oben verlängert“, sagte er. „Und wenn sich das Brett nach oben bewegt, drückt der Tropfen nach unten. Sie bewegen sich in entgegengesetzte Richtungen, was einen starken Dämpfungseffekt und weniger Vibrationen bewirkt, und das kommt der Anlage zugute.“

Die Studie befasst sich auch mit einer unerklärlichen Abweichung von Modellen, die andere Forscher dokumentiert, aber nicht verstanden haben: Wenn der Balken eine bestimmte Länge hat, verformt und bewegt sich der Wassertropfen stärker und die Schwingung des Balkens verlangsamt sich schneller.

„Diese Diskrepanz tauchte immer wieder in jeder Grafik auf“, sagte Hauptautorin Crystal Fowler, eine Doktorandin auf dem Gebiet der Biotechnik. „Wir haben herausgefunden, dass sich das Tröpfchen viel stärker bewegt, wenn die Eigenfrequenz des Strahls mit der Eigenfrequenz des Tröpfchens übereinstimmt.“

Je schneller sich der Tropfen bewegte, desto stärker beobachteten sie laut Fowler die Dämpfungswerte bzw. eine schnellere Verringerung der Schwingungen des Balkens. Für Pflanzen könnte eine geringere Vibration oder eine schnelle Erholung nach einem Aufprall weniger Stress und eine längere Lebensdauer bedeuten.

Die Forschung könnte Wissenschaftlern helfen zu verstehen, wie Regen durch ein Walddach fließt oder wie sich die Morphologie einer Pflanze entwickelt. Die Arbeit steht auch im Einklang mit anderen pflanzenbasierten Projekten in Jungs Labor – zu verstehen, wie Sporen durch Regen verteilt werden und wie die Vibration von Pflanzen genutzt werden könnte, um ihre Hydratation zu messen.

Eine weitere Anwendung ist die Entwicklung und Verbesserung von Techniken zur Gewinnung erneuerbarer Energien: Der Balken könnte durch ein piezoelektrisches Material ersetzt werden – eines, das Energie erzeugt, wenn Druck ausgeübt wird –, das Strom erzeugen könnte, wenn Regen darauf trifft.

„Bei diesem Material erzeugt die Vibration Energie“, sagte Jung. „Man kann sich einen Turm mit diesen Balken vorstellen, der sehr natürlich aussieht, aber auch Energie aus dem Regen gewinnt.“

Der Artikel ist die erste Veröffentlichung für Fowler, der Bürger der Navajo-Nation ist und mit Pflanzen und Gärten aufgewachsen ist. „Es geht darum, etwas Neues zu entdecken“, sagte sie. „Mir wurde schon früh klar, dass es mir Spaß macht, Dinge herauszufinden und meiner Neugier freien Lauf zu lassen, und dass die Biotechnik eine Möglichkeit bietet, die Welt zu verstehen.“