Effizienter als Fische

Forscher aus Großbritannien, den USA und Singapur haben einen ultraschnellen Roboter für Unterwassenanwendungen entwickelt.

Wenn Kraken sich angegriffen fühlen und fliehen, stoßen sie das Wasser in ihrer Mantelhöhle ruckartig nach hinten aus. Ein internationales Forscherteam hat nun einen Unterwasserantrieb entwickelt, der nach dem gleichen Prinzip arbeitet (DOI: 10.1088/ 1748-3190/10/1/016016).

Die Technik besteht aus einem torpedoförmigen, etwa 30 Zentimeter langen Kunststoffskelett aus einem Polykarbonat aus dem 3D-Drucker, das mit einer Gummihaut bespannt ist.

Wird das Gebilde mit einer externen Wasserpumpe aufgepumpt und dann losgelassen, schnellt es nach vorne wie ein aufgeblasener Luftballon. Dabei erreicht es eine Beschleunigung von 14 Körperlängen pro Sekunde zum Quadrat sowie einen Wirkungsgrad von erstaunlichen 53 Prozent. Damit ist der Krakenantrieb effizienter als flinke Fische oder sogar optimal geformte Festkörper, obwohl er zumindest im aufgepumpten Zustand eher plump als schlank aussieht.

Eine Ursache für die Effizienz sieht Projektleiter Gabriel Weymouth darin, dass anströmendes Wasser die Gummimembran zusätzlich zusammendrückt und somit den Schub verstärkt. "Vom Menschen entwickelte Unterwasserfahrzeuge sind so gestaltet, dass sie so stromlinienförmig wie möglich sind", so Weymouth. "Doch mit der Ausnahme von Torpedos, die große Mengen an Treibmittel benötigen, erreichen diese Vehikel nie mehr als eine Geschwindigkeit von einer Körperlänge pro Sekunde oder Beschleunigungen von 0,1g, trotz ihrer mechanischen Komplexität."

Mit zunehmender Größe soll sich die Effizienz des Krakenantriebs sogar noch verbessern, haben die Forscher berechnet. So könnte man ihn in einem Fahrzeug nutzen, das Geschwindigkeit, Manövrierfähigkeit und Wirkungsgrad des biologischen Vorbilds erreicht.

Als mögliches Anwendungsszenario erwägt das Team, das sich aus Wissenschaftlern an der University of Southampton, dem Massachusetts Institute of Technology (MIT) und der Singapore-MIT Alliance for Research and Technology zusammensetzte, unter anderem Unterwassergefährte, die so mit Fischschwärmen "mitschwimmen" könnten – etwa Drohnen zur Meeresforschung. Ideen gibt es aber auch für eine Anwendung der Erkenntnisse beim Design von Flugzeugflügeln, um den Luftwiderstand zu verringern.

"Festkörper verlieren immer Energie an das umgebende Wasser", sagt Projektleiter Weymouth. Das verhindere die Roboterstruktur. "Er benutzt das Wasser sogar dazu, seinen ultraschnellen Vortrieb zu generieren."

Eine Last von einem Kilogramm beschleunigte der Roboter in weniger als einer Sekunde auf 6 Kilometer pro Stunde. Das wäre, erklärt Weymouth, als würde man einem Mini Cooper eine zusätzliche Last von 350 Kilogramm aufbürden (Gesamtgewicht eine metrische Tonne) und ihn dann vom Stillstand auf 96 Kilometer pro Stunde beschleunigen – und zwar unter Wasser.

In einem Video, dass die Forscher auf YouTube veröffentlicht haben, zeigen sie, was sie meinen: Man kann dem Krakenroboter kaum mit den Augen folgen. (bsc)