Bioinspirierte Wassertransportsysteme aus poröser Keramik

Der Baum als Vorbild –
Bioinspirierte Wassertransportsysteme aus poröser Keramik
Melanie Keuper *, Klaus G. Nickel *, Anita Roth-Nebelsick #
* Universität Tübingen, Fachbereich Geowisschenschaften, Angewandte Mineralogie,
#
Staatliches Museum für Naturkunde, Stuttgart
Motivation:
Saftaufstieg in Bäumen: Funktionsweise
Der Baum ist bis heute ein unerreichtes Vorbild: Es gibt
kein technisches System, das Wasser ohne Pumpsysteme in so große Höhen mit relativ hohen Fließgeschwindigkeiten transportiert.
Verdunstung
Es stellt sich die Frage für den Biologen: braucht man
die organischen Baummaterialien oder funktioniert die
Wasserversorgung rein physikalisch?
Wenn dem so wäre: kann so etwas mit rein anorganischem Material realisiert werden? Denn wenn uns
solch ein biomimetischer Wassertransport gelänge, so
könnten z.B. ökologisch unbedenklich und kostengünstig klimatisierte Gebäude Realität werden.
1.Projektziel:
Herstellung von langporigen hochporösen Keramiken.
Methoden: Gefriertrocknen und ionotrope Gelbildung
Kapillarer Aufstieg
Wassertransport in abgestorbenen Bereichen des Xylems durch
Sogwirkung transpirierender Blätter.
Æ Erzeugung eines negativen Drucks (Zugspannung).
a
b
a
b
a: CT-Bild des
keramischen
Körpers
b: CT-Querschnitt
innerhalb des
keramischen
Körpers
Aus: D. Malangré,
2012
c
1,5 mm
2. Projektziel:
15 μm
2 μm
Strukturierte Wandungen mit Nano/Mikro-Poren
Methoden: Optimierte bimodale Suspensionen
5 μm
a: REM-Querschnitt von Tracheiden der gemeinen Fichte (Abbildung: M. Rosenthal)
b: REM-Längsschnitt von Tracheen der Esche
c: REM-Querschnitt des frz. Ahorns
Charakteristika:
• Multikanalstruktur
• Segmentation
• Permeable Verbindungen
• Multimodale
Kanalradienverteilung
• Durchmesser 1 - 500 μm
Beispiel für eine bimodale
Porenverteilung einer
Al2O3-basierenden
Keramik durch den
Einsatz von Polysachariden (Stärke) als
Porenbildner.
Aus: Pabst et al. 2011
Problem:
Wasser unter Zug ist als Dampf stabil:
Blasen können sich bilden/bleiben bestehen: Embolie.
Transport bricht zusammen
• Nano/Mikro-Poren in den Kanalwänden verbinden die Kanäle
und sollen durch ihren geringen Durchmesser die Tüpfelfunktion erfüllen
Embolieverhinderung in der Natur
Gefäßverbindende Hoftüpfel werden durch Expansionsdruck
des Gases geschlossen.
b
c
Druck
a
100 μm
Aus: S. Deville 2013
1 μm
2 μm
0 MPa
a: REM-Aufnahme eines Hoftüpfels einer Fichte (frontal) – M. Rosenthal et al. 2010
b: REM-Aufnahme zweier Tracheen mit Hoftüpfeln in den Kanalwänden - echter Lorbeer (Längsschnitt)
c: Hoftüpfel geschlossen mit Druckdifferenz zwischen den Tracheen (schematisch)
-1 MPa
100 μm
Aus: D. Malangre 2012
• Geeignete Zusätze können Wandungen strukturieren.
• Gefriertrocknung ermöglicht Segmentierung.