Drachenbaum mit vielen Ästen Karol Kozlowski
Trend

Die Pflanzenwelt als Vorbild

Der Baum der Erkenntnis

Die Fasern des Drachenbaums sollen Materialwissenschaftlern bald neue Baupläne für leichtere Werkstoffe liefern. Flugzeug- und Autobauer könnten zukünftig von den durch die Botanik inspirierten Entwicklungen profitieren.

04. November 2016

Dem immergrünen Drachenbaum (Dracaena marginata) werden heilende Kräfte nachgesagt. Ein Forschungsteam der Universität Freiburg und des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) hat die beliebte Topfpflanze wegen einer ganz anderen kraftvollen Eigenschaft genauer unter die Lupe genommen. Mithilfe einer speziellen hochauflösenden Magnetresonanztomographie (MRT) ist es den Wissenschaftlern dabei erstmals gelungen, am lebenden Drachenbaum zu beobachten, wie sich das pflanzliche Gewebe bei Belastung verschiebt.

Heilkraft und Kraftprotz

Dabei muss der madegassische Proband ein statisches Gewicht von 15 Kilogramm in der Gabel zwischen Ast und Stamm während einer MRT-Aufnahme ertragen. Die Wissenschaftler betrachten sowohl die gesamte Ast-Stamm-Anbindung als auch einzelne Leitbündel im Stamm- und Astgewebe, um Veränderungen vom unbelasteten zum belasteten Zustand möglichst genau zu ergründen. Durch den Vergleich mit einer unbelasteten Studie der gleichen Pflanze gewinnen die Wissenschaftler neue Erkenntnisse darüber, wie sich bestimmte Pflanzenstrukturen des Drachenbaums unter der Last verhalten und versuchen, diese mit ihrer optimierten Faserstruktur zu kompensieren. Je nach ihrer Lage in der Verzweigung werden die Bündel und die Kappen teilweise längs gedehnt und können so Zuglasten aufnehmen oder auch quer gegen das umliegende Gewebe gedrückt, wodurch Druckkräfte gedämpft werden können.

Gebündelte Kräfte

Im Fokus der Wissenschaftler sind dabei die so genannten Leitbündel, die den Wasser und Nährstofftransport in der Pflanze organisieren und gleichzeitig einen wesentlichen Beitrag zur Stabilität der Gewächse beitragen. „Der innere Aufbau eines Astes und die Anordnung der Leitbündel sind darauf ausgerichtet, Lasten zu tragen“, erklärt der Leiter der Plant Biomechanics Group und Direktor des Botanischen Gartens der Universität Freiburg, Prof. Thomas Speck.

Die wissenschaftlichen Erkenntnisse sollen so bald wie möglich in technische Faserverbundverzweigungen übertragen werden, mit dem Ziel sowohl leichte wie auch stabile Werkstoffe mithilfe des natürlichen Vorbilds noch weiter zu verbessern. Das Team hat seine neuesten Ergebnisse kürzlich in der Fachzeitschrift „Scientific Reports“ veröffentlicht. (L. Hesse et al., DOI:10.1038/srep32685)

Warum haben Sie gerade den Drachenbaum als Forschungsobjekt gewählt, Herr Professor Speck?

Prof. Thomas Speck: Weil sich die Faserstruktur seines Gewebes sehr gut erkennen lässt und die Verbindungen zwischen Ast und Stamm äußerst stabil sind. Wir versuchen eine Antwort auf die Frage zu erhalten, wie vermeidet der Baum Risse, und wie erreicht er eine hohe Stabilität gerade an den Verzweigungsstellen. Ähnliche Problemzonen haben technische Verbundsysteme auch.

Welche sind das?

Speck: Verzweigte Leichtbau-Faserverbundstrukturen sind bis heute gefährdet an den Verzweigungsstellen zu versagen. Grund hierfür ist, dass es sehr schwer ist, in serientauglichen Produktionsprozessen die Faseranordnung an den Verzweigungsstellen so zu gestalten, dass hohe Biege- und Scherspannungen versagensfrei aufgenommen werden können.

Strahlungsfreie Prüfmethoden

Warum haben Sie das MRT für Ihre Experimente gewählt?

Speck: Die Pflanzen sind anders als bei einer Mikro-Computertomographie (µCT) keiner Röntgenstrahlen ausgesetzt. Das Magnetfeld des MRT interagiert passiv mit der Materie. Wir arbeiten mit einer Magnetflussdichte von knapp 10 Tesla im Kern. Man geht heute davon aus, dass solche Magnetfelder nur sehr geringe und kurzfristige Auswirkungen haben könnten. Die Interaktion mit lebendem Gewebe ist äußerst gering. Dauerhafte Belastungen mit sehr hohen Magnetfeldern könnten vielleicht ein Problem darstellen, aber nicht bei unseren kurzzeitigen Experimenten.

Wie lange muss der Drachenbaum denn im MRT ausharren?

Speck: Wir benötigen 9 bis 13 Stunden für 600 Einzelbilder, die im Abstand von Hundert Mikrometern aufgenommen werden. Aus den Bildersätzen erstellen wir dann am Computer dreidimensionale Modelle, die eine genaue Rekonstruktion der inneren Pflanzenstrukturen darstellen.

Neue Sensoren für die Experiment

Während dieser Zeit darf sich der Drachenbaum aber nicht bewegen, oder?

Speck: Das ist richtig und bei der unbelasteten Aufnahme auch kein Problem. Für die zweite Aufnahme mit Kraftauflage, warten wir zusätzlich eine Stunde, um sicher zu sein, dass keine weiteren Restdeformationen mehr in der Pflanze stattfinden. Die Kraftaufnahme wird während der zweiten MRT kontinuierlich überwacht. Unser Ziel ist es mittelfristig, die Belichtungszeiten mit Hilfe neuer Sensoren zu verkürzen. Wir werden nicht in den Sekunden-Bereich kommen, aber hoffentlich bald deutlich schneller als bisher werden.

Was haben Sie im MRT entdeckt?

Speck: Wir konnten erstmals bei lebenden Pflanzen mit hoher räumlicher Auslösung nachweisen, wie sich die Verzweigungsbereiche dreidimensional unter Biegebelastung verformen. Was aber noch viel wichtiger ist, wir sehen erstmals wie sich die einzelnen Leitbündel im Gewebe im Stamm-Ast-Übergangbereich bei einer lebenden Pflanze unter Last verformen, das heißt ihre Lage im Grundgewebe des Drachenbaums verändern.

Komplexes Faserbild für die Raumfahrt

Hat Sie ein Resultat überrascht?

Speck: Ja, dass sich das Faserbild unter Last deutlich komplizierter darstellt als wir bislang dachten. Die Fasern strecken bzw. biegen sich zum Beispiel nicht nur in Richtung Last, sondern in einigen Bereichen auch quer oder sogar entgegengesetzt der Kraftrichtung! Jetzt müssen wir begreifen, warum die Pflanze so reagiert. Eine genaue Einordnung der Ergebnisse, für die auch eine Finite-Element-Simulation gemacht werden soll, steht noch aus. Wir sind aber davon überzeugt, dass eine Abstraktion und Übertragung unserer Ergebnisse dazu beitragen wird, die technisch sehr vielseitig einsetzbaren verzweigten Leichtbau-Faserverbundstrukturen weiter zu optimieren.

Welche könnten das sein?

Die potentiellen technischen Anwendungsbereiche umfassen verschiedenartige Rahmen- und Trägerstrukturen in der Architektur sowie Luft- und Raumfahrt: Längsversteifungen im Flugzeugbau oder Antennenkonstruktionen in der Raumfahrt.

Autor

Rüdiger Voßberg,

Bernd Seidel &Friends