Superhydrophobe Metallrohre der University of Rochester schwimmen trotz Löchern

Was wäre, wenn ein Metallobjekt voller Löcher trotzdem auf dem Wasser schwimmen könnte? Diese Vorstellung klingt unmöglich, doch neue Forschungsergebnisse zeigen, dass sie Realität werden kann.

Mehr als ein Jahrhundert nach dem Untergang der Titanic suchen Forschende weiterhin nach besseren Möglichkeiten, Schiffe und schwimmende Konstruktionen vor dem Sinken zu bewahren.

Ein Forschungsteam der University of Rochester (URochester) ist diesem Ziel nun einen Schritt näher gekommen. Den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern gelang es, Metallrohre herzustellen, die selbst nach schweren Beschädigungen und langen Aufenthalten unter Wasser nicht untergehen.

Ein gewöhnliches Material verwandeln

Die Studie entstand am Institute of Optics der URochester. Geleitet wurde sie von Chunlei Guo, leitendem Wissenschaftler am Laboratory for Laser Energetics (LLE).

Das Team verwendete herkömmliche Aluminiumrohre. Statt ihre Form zu verändern oder Schaumstoff hinzuzufügen, richteten die Forschenden ihre Aufmerksamkeit auf die Innenfläche jedes Rohrs.

Mithilfe einer speziellen Lasertechnik brachten sie winzige Vertiefungen und Strukturen in das Metall ein. Diese befinden sich im Mikro- und Nanometerbereich und sind mit bloßem Auge nicht erkennbar.

Die strukturierte Oberfläche bewirkt einen starken Effekt: Wasser kann nur schwer daran haften. Fachleute bezeichnen diese Eigenschaft als superhydrophob, also extrem wasserabweisend.

Eingeschlossene Luft hält das Metallrohr über Wasser

Wird das behandelte Rohr ins Wasser gelegt, verhält es sich ungewöhnlich. Das Wasser dringt nicht in das Rohr ein, sondern bleibt draußen. Im Hohlraum bleibt eine Luftblase eingeschlossen, die das Rohr leicht und schwimmfähig hält.

Luft wiegt deutlich weniger als Wasser. Solange sie im Inneren bleibt, kann sich das Rohr nicht mit Wasser füllen und sinken.

Das Prinzip findet sich auch in der Natur. Wasserspinnen nehmen Luftblasen mit unter Wasser, um zu atmen. Feuerameisen verbinden sich bei Überschwemmungen miteinander, schließen Luft ein und bilden schwimmende Flöße.

„Wichtig ist, dass wir in der Mitte des Rohrs eine Trennwand eingebaut haben, sodass die Luftblase auch dann eingeschlossen bleibt und das Rohr schwimmfähig bleibt, wenn man es senkrecht ins Wasser drückt“, sagt Guo.

Diese Trennwand erfüllt eine zentrale Funktion. Sie stabilisiert das Luftpolster selbst dann, wenn Wasser aus unterschiedlichen Richtungen starken Druck ausübt.

Unsinkbares Metall für Schiffe

Die meisten schwimmenden Objekte versagen, sobald Risse oder Löcher entstehen. Wasser strömt hinein und verdrängt die Luft. Bei diesem System tritt dieses Problem jedoch nicht auf. Selbst bei gravierenden Schäden weist die superhydrophobe Innenfläche weiterhin Wasser ab.

„Wir haben sie über Wochen hinweg in wirklich rauen Umgebungen getestet und keine Beeinträchtigung ihrer Schwimmfähigkeit festgestellt“, sagt Guo.

„Man kann große Löcher in sie stechen, und wir haben gezeigt, dass sie selbst dann noch schwimmen, wenn man die Rohre mit so vielen Löchern wie möglich schwer beschädigt. Wenn man die Rohre mit so vielen Löchern wie möglich schwer beschädigt, schwimmen sie trotzdem“, sagt Guo.

Dieses Ergebnis überraschte viele Forschende. Normalerweise bedeuten Löcher ein Versagen, doch hier bleibt die eingeschlossene Luft dank der wasserabweisenden Oberfläche im Rohr geschützt.

Mehr Stabilität bei rauem Wasser

Guo und seine Forschungsgruppe stellten bereits 2019 erstmals superhydrophobe Schwimmkörper vor.

Das frühere Konzept bestand aus zwei flachen, wasserabweisenden Scheiben, die miteinander versiegelt waren. In ruhigem Wasser funktionierte es zwar wirksam, bei extremen Neigungen entstanden jedoch Schwierigkeiten. Bei starken Winkeln konnte Luft entweichen.

Die Rohrkonstruktion löst dieses Problem. Durch ihre zylindrische Form wird die Luft sicherer gehalten und Bewegungen durch Wellen besser widerstanden. In Tests wurden die Rohre rauen Wasserbedingungen ausgesetzt, die Meeresumgebungen ähnelten. Über Wochen hinweg ging keine Schwimmfähigkeit verloren.

Damit wird das Konzept für praktische Anwendungen realistischer.

Von schwimmenden Rohren zu großen Plattformen

Ein einzelnes Rohr kann schwimmen, doch mehrere miteinander verbundene Rohre eröffnen neue Möglichkeiten. Das Forschungsteam koppelte mehrere Rohre zu Flößen.

Diese Flöße blieben in Labortests stabil und konnten Gewicht tragen. Bei den Versuchen erreichten die Rohre Längen von fast einem halben Meter.

Guo sieht beim Hochskalieren keine wesentlichen Hindernisse. Größere Ausführungen könnten schwere Geräte, Menschen oder Bauwerke tragen. Denkbare Anwendungen sind Schiffe, schwimmende Plattformen, Bojen und Offshore-Anlagen.

Eine Anwendung für saubere Energie

Die Forschung verweist außerdem auf erneuerbare Energien. Flöße aus diesen Rohren können sich mit den Wellen bewegen. Dadurch entsteht mechanische Energie. An den Flößen befestigte Geräte könnten die Wellenbewegung in Elektrizität umwandeln.

Wellenenergie ist bislang eine wenig genutzte erneuerbare Ressource. Diese Schwimmtechnologie könnte dazu beitragen, Energie aus Ozeanen und Flüssen langlebiger zu gewinnen.

Die Studie verdeutlicht, wie kleine Veränderungen an Oberflächen große Wirkungen entfalten können. Ein schlichtes Metallrohr erhält durch die Behandlung die Fähigkeit, Schäden, Zeit und rauem Wasser standzuhalten und zu schwimmen.

Der Traum von sichereren schwimmenden Konstruktionen scheint damit näher denn je.

Finanziert wurde das Projekt von der National Science Foundation (NSF), der Bill and Melinda Gates Foundation sowie dem Goergen Institute for Data Science and Artificial Intelligence der University of Rochester.