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Meeresschwämme inspirieren die nächste Generation von Wolkenkratzern und Brücken – Phys.org

Das Skelett von Euplectella aspergillum, einem Tiefseeschwamm. Bild: Matheus Fernandes/Harvard SEAS

Wenn wir an Schwämme denken, neigen wir dazu, an etwas Weiches und Matschiges zu denken. Doch Forscher der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) verwenden die glasigen Skelette von Meeresschwämmen als Inspiration für die nächste Generation stärkerer und höherer Gebäude, längerer Brücken und leichterer Raumfahrzeuge.

In einem neuen Papier, das in Nature Materials veröffentlicht wurde, zeigten die Forscher, dass die diagonal verstärkte quadratische Gitterstruktur von Euplectella aspergillum, einem Tiefsee-Meeresschwamm, ein höheres Festigkeits-Gewicht-Verhältnis aufweist als die traditionellen Gitterkonstruktionen, die seit Jahrhunderten beim Bau von Gebäuden und Brücken verwendet werden.

"Wir haben festgestellt, dass die diagonale Verstärkungsstrategie des Schwamms den höchsten Knickwiderstand für eine bestimmte Menge an Material erreicht, was bedeutet, dass wir stärkere und widerstandsfähigere Strukturen aufbauen können, indem wir vorhandenes Material innerhalb der Struktur intelligent neu ordnen", sagte Matheus Fernandes, Student an der SEAS und Erstautor des Papiers.

"In vielen Bereichen, wie der Luft- und Raumfahrttechnik, ist das Festigkeits-Gewicht-Verhältnis einer Struktur von entscheidender Bedeutung", sagt James Weaver, Senior Scientist bei SEAS und einer der entsprechenden Autoren des Papiers. "Diese biologisch inspirierte Geometrie könnte eine Roadmap für die Gestaltung leichterer, stärkerer Strukturen für eine Vielzahl von Anwendungen bieten."

Das Skelett von Euplectella aspergillum, einem Tiefseeschwamm. Credit: Videomaterial mit freundlicher Genehmigung des Learning Lab im Harvard Bok Center

Wenn Sie jemals durch eine überdachte Brücke gegangen sind oder ein Metallregal zusammengestellt haben, haben Sie diagonale Gitterarchitekturen gesehen. Diese Art der Konstruktion verwendet viele kleine, eng verteilte Diagonalbalken, um die aufgebrachten Lasten gleichmäßig zu verteilen. Diese Geometrie wurde Anfang des 19. 19. 19. 1980von dem Architekten und Bauingenieur Ithiel Town patentiert, der eine Methode zur Herstellung stabiler Brücken aus leichten und billigen Materialien wollte.

"Die Stadt hat eine einfache, kostengünstige Möglichkeit entwickelt, quadratische Gitterstrukturen zu stabilisieren, die bis heute verwendet werden", so Fernandes. "Es erledigt die Arbeit, aber es ist nicht optimal, was zu verschwendetem oder redundantem Material und einer Obergrenze dafür führt, wie hoch wir bauen können. Eine der Hauptfragen, die diese Forschung antreibt, war, können wir diese Strukturen aus Sicht der Materialallokation effizienter gestalten und letztlich weniger Material verwenden, um die gleiche Festigkeit zu erreichen?"

Glücklicherweise hatten die Glasschwämme, die Gruppe, zu der Euplectella aspergillum – auch bekannt als Venus' Blumenkorb – gehört, einen fast halben Milliarden-Jahresvorsprung auf der Forschungs- und Entwicklungsseite der Dinge. Zur Unterstützung seines röhrenförmigen Körpers verwendet Euplectella aspergillum zwei Sätze paralleler diagonaler Skelettstreben, die sich überschneiden und zu einem darunter liegenden quadratischen Raster verschmolzen sind, um ein robustes Schachbrett-ähnliches Muster zu bilden.

Meeresschwämme inspirieren die nächste Generation von Wolkenkratzern und Brücken
Composite-Rendering, das von einem glasigen Schwammskelett auf der linken Seite zu einem geschweißten, auf Bewehrung basierenden Gitter auf der rechten Seite übergeht und die biologisch inspirierte Natur der Forschung hervorhebt. Bild: Bild mit freundlicher Genehmigung von Peter Allen, Ryan Allen und James C. Weaver/Harvard SEAS

"Wir untersuchen struktur-funktionsbezogene Beziehungen in Schwammskelettsystemen seit mehr als 20 Jahren, und diese Arten überraschen uns weiterhin", sagte Weaver.

In Simulationen und Experimenten replizierten die Forscher dieses Design und verglichen die Skelettarchitektur des Schwamms mit bestehenden Gittergeometrien. Das Schwammdesign übertraf sie alle und stand schwereren Lasten stand, ohne zu knicken. Die Forscher zeigten, dass die gepaarte parallel gekreuzte diagonale Struktur die Gesamtstrukturfestigkeit um mehr als 20 Prozent verbesserte, ohne dass zusätzliches Material hinzugefügt werden musste, um diesen Effekt zu erzielen.

"Unsere Forschung zeigt, dass die aus der Untersuchung von Schwammskelettsystemen gewonnenen Erkenntnisse genutzt werden können, um Strukturen zu bauen, die geometrisch optimiert sind, um das Knicken zu verzögern, mit enormen Auswirkungen auf die verbesserte Materialnutzung in modernen infrastrukturellen Anwendungen", sagte Katia Bertoldi, William and Ami Kuan Danoff Professor of Applied Mechanics bei SEAS und eine entsprechende Autorin der Studie.



Weitere Informationen:
Matheus C. Fernandes et al, Mechanisch robuste Gitter inspiriert von Tiefseeglasschwämmen, Nature Materials (2020). DOI: 10.1038/s41563-020-0798-1

Zitat:
Meeresschwämme inspirieren die nächste Generation von Wolkenkratzern und Brücken (2020, 21. September)
abgerufen am 21. September 2020
von https://phys.org/news/2020-09-marine-sponges-skyscrapers-bridges.html

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