Vorbild Wasserläufer: Extrem sparsamer Dampfantrieb für winzige Boote

Espoo (Finnland)/Haifa (Israel) – Blitzschnell können Insekten dank eines flüssigen Sekrets unter dem Fuß über Wasser laufen. Ein Grund dafür liegt in einer niedrigeren Oberflächenspannung durch das teilweise Verdampfen der Flüssigkeit. Diese Art der Dampfentwicklung nutzten nun Forscher für die Entwicklung eines extrem sparsamen und zugleich leichten Antriebs für Miniboote oder schwimmende Roboter. Ihren Prototyp präsentierten sie in der Fachzeitschrift „Chemical Science“.

Schema des Aufbaus. Der Schimmkörper besteht aus einer flachen Schicht Gel, die etwa die Form eines Bootes hat. Auf dem hinteren Teil sitzt ein Zylinder mit Alkohol, der verdampfende Alkohol ist mit Kügelchen dargstellt, die durch das Gel ins Wasser dringen und von dort aus aufsteigen.
Prinzip des Dampfantriebs

„Der Treibstoffverbrauch ist extrem niedrig. Nur 25 Mikroliter Ethanol trieben ein Miniboot fast eine Stunde lang an“, sagt Robin Ras von der Aalto Universität in Espoo bei Helsinki. Zusammen mit Forschern vom Technion-Israel Institute of Technology in Haifa setzte er auf eine schwimmfähige, wenige Zentimeter große Membran aus Zellulose einen kleinen Ethanoltank. Auf eine Wasserfläche gesetzt, drangen geringe Mengen des Alkohols durch etwa 20 Nanometer dünne Kanäle und verdampften beim Kontakt mit dem Wasser. Die durch diesen sogenannten Marangoni-Effekt erzeugten Dämpfe vergrößerten einerseits den Auftrieb, andererseits beschleunigten sie die Schwimmmembran auf eine Geschwindigkeit von zwei Zentimetern pro Sekunde. So legte der Schwimmkörper während der Experimente eine Strecke von 74 Metern mit nur einer Tankfüllung zurück.

„Es ist eine große Herausforderung, kleine Objekte autonom anzutreiben. Vor allem, wenn der Antrieb nicht nur Sekunden oder Minuten, sondern Stunden aktiv sein soll“, sagt Ras. Er ist sich bewusst, dass der Marangoni-Effekt nicht als alternativer Antrieb für größere Boote geeignet ist. Doch für einen extrem sparsamen Motor für kleine Objekten hat diese Entwicklung großes Potenzial. In weiteren Schritten planen die Forscher, ihre neuartige „Dampfmaschine“ besser regeln zu können. Für einen Einsatz in schwimmenden Minibooten oder autonomen, mit Sensoren ausgestattenen Robotern müsste zudem eine Steuervorrichtung ergänzt werden.