Ölfilter - von der Biene abgeschaut

Bienen verfügen über höchst effektive Methoden, um Öl mit den Haaren an ihren Hinterbeinen aufzunehmen und zu transportieren. Das Institut für numerische Simulation erforscht, wie dieser Prozess aus der Natur vom Menschen für technische Anwendungen genutzt werden könnte.

Nahaufnahme einer Biene

Das Forschungsgebiet der Bionik untersucht, wie über Jahrmillionen hinweg perfektionierte Mechanismen aus der Natur in moderne Technik übersetzt werden könnten. Hier kommen zahlreiche mathematische Verfahren zum Einsatz, die dabei helfen biologische Materialien und Prozesse so zu analysieren und beschreiben, dass sie als Vorbild für innovative Technologien dienen können.

Ein für industrielle Anwendungen besonders interessantes Vorbild aus der Natur sind die sogenannten Ölbienen. Diese vor allem in Südamerika heimischen Bienen sammeln das mit Pollen vermischte Öl von Blumen und füttern damit ihren Nachwuchs. Die Blütenöle enthalten im Vergleich zum normalerweise von Bienen gesammelten Nektar achtmal so viel Energie und sind daher für die Tiere besonders nahrhaft. Um das Öl transportieren zu können, haben die Ölbienen im Laufe der Evolution spezielle Haarstrukturen an ihren Hinterbeinen entwickelt. Diese Strukturen ermöglichen es den Bienen, die dreißigfache Menge an Öl im Verhältnis zum Gewicht ihrer Haare zu binden und verlustfrei wieder abzugeben. Dabei können die Haare nicht nur einmal, sondern beliebig oft zum Öltransport eingesetzt werden. Komponenten in technischen Apparaten, die dieselbe Funktion erfüllen, müssen dagegen häufig ausgetauscht werden. Das ist einer der Gründe weshalb zum Beispiel Ölfilter sehr teuer im Betrieb sind.

Alexander Rüttgers und Michael Griebel vom Institut für Numerische Simulation des Hausdorff Centers haben mit Hilfe komplexer Computermodelle untersucht, welche Faktoren den Bienenhaaren ihre herausragenden ölbindenden Eigenschaften verleihen. Um die physikalischen Prozesse und Parameter zu identifizieren, die dafür verantwortlich sind, dass das Haargeflecht der Bienen ein derart effizientes Speicher- und Transportmedium für Öl ist, führten die Wissenschaftler numerische Simulationen auf einem parallelen Hochleistungsrechner durch. Dazu wurde eine Ölbiene im Mikro-Computertomographen vermessen und aus den Daten ein dreidimensionales Computermodell erstellt, um auch die vielen mikroskopisch kleinen Verzweigungen des Haarnetzwerks erfassen zu können. Die Simulation umfasste neben der Strömung des Blütenöles in den Haaren auch die umgebende Luft und war daher zweiphasig. Die Bonner Forscher entwickelten speziell für diese Aufgabe neue numerische Methoden, die es ermöglichten, die Physik an der Kontaktlinie von Öl, Luft und Bienenhaar am Computer möglichst gut zu nachzubilden.

"Mit dieser neuen Methode konnten wir die Verformung eines Öltropfens im Haargeflecht der Bienen erstmals umfassend mathematisch beschreiben", sagt Alexander Rüttgers. Die Ergebnisse der numerischen Simulation machen sichtbar, dass während des Fluges der Bienen eine hohe Luftzirkulation in dem haarigen Netzwerk an ihren Hinterbeinen herrscht. Die Simulation zeigt zudem die Bereiche der Struktur auf, an denen das Öl beim Transport am leichtesten verloren gehen könnte. Weiterhin spielen die Oberflächenspannung des Öls und die Komplexität der Haarstruktur eine entscheidende Rolle. Erst die vielen kleinen Verästelungen und Verzweigungen in der Mikrostruktur der Haare führen dazu, dass die Bienenhaare so viel Öl aufnehmen können. Die Simulationen haben unser Verständnis der zugrunde liegenden physikalischen Wirkmechanismen bei diesem Vorgang deutlich verbessert.

Auf diesen Resultaten bauen nun weitere Arbeiten auf, die künftig unter anderem zu effizienteren Ölfiltern führen könnten. Die Erkenntnisse der Mathematiker wurden in Zusammenarbeit mit Biologen der Universität Bonn, Ingenieuren des Textilforschungszentrums Denkendorf, Partnern aus der Wirtschaft und dem Fraunhofer-Institut für Algorithmen und Wissenschaftliches Rechnen auch bereits praktisch eingesetzt: Die bei der Reinigung von Verbrennungsmotoren in Autos oder Landmaschinen verwendete Waschlösung enthält am Ende große Mengen an Öl. Erst wenn ein Ölabscheider dieses Öl entfernt, kann die Waschlösung ins Abwasser gegeben werden. Inspiriert durch die Ölbienen wurde dafür ein faserbasierter Ölfilter entwickelt. Dieser wird derzeit im industriellen Einsatz getestet und könnte schon bald die herkömmlichen Verfahren der Öltrennung verbessern und ersetzen. "Wir hoffen, dass unsere Arbeiten in Zukunft vielleicht auch dazu beitragen werden, das Meer nach einer Ölkatastrophe zu säubern und auf diese Weise ökologische Schäden zu minimieren", so die Wissenschaftler.

Originalartikel

ALEXANDER RÜTTGERS, MICHAEL GRIEBEL, L. PASTRIK, H. SCHMIED, D. WITTMANN, A. SCHERRIEBLE,A. DINKELMANN, T. STEGMAIER (2015): Simulation of the oil storage process in the scopa of specialized bees. Computers & Fluids 119: 115-130.