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Loch stopft sich selbst
(18. November/2011/rh) – Forscher tüfteln an sich selbst reparierende Membranen. Als Vorbild dienen Lianen.
Verhängnisvoll ist ein Loch im Schlauchboot an sich erst dann, wenn die Luft so rasch ausströmt, dass man nicht mehr an Land paddeln kann. In Zukunft sollen selbst reparierende Schichten aus porösem Material dafür sorgen, dass Membranen von aufblasbaren Objekten nicht nur wasser- und luftdicht sind, sondern kleine Löcher sich vorübergehend auch selber stopfen können.
Die Idee überzeugt, neu ist sie allerdings nicht. In der Schöpfung ist die Selbstreparatur von Materialien zu beobachten. So beispielsweise an einer Liane in den nordamerikanischen Bergwäldern. Die Pfeifenwinde (Aristolochia macrophylla) lieferte Wissenschaftlern der Universität Freiburg im Breisgau entscheidende Hinweise. Sie dienen den Bionik-Experten als Vorbild für selbstreparierende Membranen, wie sie etwa in Schlauchbooten zum Einsatz kommen könnten.
Die Pfeifenwinde ist biegsam, obwohl ihr Festigungsgewebe verholzt ist. Werden diese Stabilität verleihenden, verholzten Zellen verletzt, dann greift die Pflanze zu «Erste-Hilfe-Massnahmen». Denn im darunter liegenden Grundgewebe denen sich Parenchym-Zellen so rasch aus, dass sie die Wunde von innen verschliessen. In einer späteren Phase setzt die Heilung ein, das ursprüngliche Gewebe wächst nach. Dieses Prinzip soll nun auf Werkstoffe – genauer auf Membranen – übertragen werden. Sobald eine Membran verletzt wird, soll eine zusätzliche Schicht dank ihrer mechanischen Vorspannung – ähnlich dem natürlichen Vorbild – «erste Hilfe» leisten und Löcher bis zur «richtigen» Reparatur verschliessen.
Während man sich an der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg mit den biologischen und chemischen Aspekten des Vorbilds Liane beschäftigt, wird an der Eidgenössischen Materialprüfungsanstalt (Empa) an der technischen Lösung für Polymer-Membranen gearbeitet. Ziel der Untersuchungen ist es, zu verstehen, unter welchen Bedingungen sich ein Loch schliesst, wenn der Schaum auf der Membran sich nach einer Verletzung ausdehnt. Dazu wird in einer Versuchsanlage eine Membran pneumatisch unter Druck gesetzt und anschliessend mit einer Nadel punktiert. Einen ersten Zwischenerfolg haben die Empa-Forscher bereits erzielt; ein Zweikomponentenschaum aus Polyurethan und Polyester dehnt sich unter Überdruck, wie er im Loch durch die austretende Luft herrscht, schlagartig aus. Die Polymerschaumbeschichtung vermindert nicht nur den Druckverlust nach einer Beschädigung, sondern macht aufblasbare Strukturen widerstandsfähiger und langlebiger. Werden wir in absehbarer Zeit Luftmatratzen mit selbstreparierenden Membranen kaufen können?
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