Fester Halt dank Kaffeesatz

Von der Heuschrecke inspiriert: Die weiche Hülle des an der CAU entwickelten Reibungssystems passt sich auch an unebene Untergründe gut an. Wird im zweiten Schritt leichter Druck darauf ausgeübt, rückt das Granulat eng zusammen. Das verfestigt das ganze Material und es lässt sich nicht mehr von der Stelle bewegen. Foto: Halvor Tramsen

Kiel. Über raue Oberflächen ebenso sicher zu laufen wie über glatte oder sogar glitschige ist für Insekten in der Regel kein Problem. Festen Halt geben ihnen dabei zum Beispiel hakenartige Krallen oder mikroskopisch fein verzweigte Hafthärchen an ihren Füßen. Technische Lösungen, die mit dem Kontakt und der Reibung auf Oberflächen zu tun haben, sind da weit weniger flexibel. Meist sind sie nur für einen spezifischen Nutzen entwickelt – wie zum Beispiel Sommer- oder Winterreifen – und können sich kaum an unterschiedliche Untergründe anpassen. 

Um herauszufinden, wie man die Tricks der Insekten auf künstliche Konstruktionen übertragen könnte, hat sich ein interdisziplinäres Team der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) die Füße von Heuschrecken ganz genau angesehen. Die haben an ihren Füßen kleine Kissen. Deren weiche, gummiartige Haut kann sich gut an kleine Unebenheiten des Untergrundes anpassen. Im Inneren der Kissen sind sehr viele feine aber stabile Borsten, die die Haut des Fuß-Kissens von innen in die Unebenheiten des Untergrundes drücken. Dadurch kombinieren die Heuschreckenfüße elastische und stabile Materialeigenschaften und erreichen so eine sehr gute Bodenhaftung auf praktisch allen Oberflächen.

Mit Silikon und Kaffeesatz ist es den Forschern gelungen, einen Prototypen zu bauen, der dieses Prinzip nachahmt.

Für einen festen Halt braucht es gleichzeitig eine gute Kontaktfläche und eine stabile Kraftübertragung. „Um auf verschiedenen Oberflächen zu haften, müsste man – eigentlich ein Widerspruch – zwischen dem Verhalten von weichen und festen Materialien wechseln“, erklärt Stanislav Gorb, Professor für Funktionelle Morphologie und Biomechanik an der CAU. Während ein weicher Materialzustand eine große Kontaktfläche zum Untergrund ermöglicht, erlaubt ein fester Zustand eine große Kraftübertragung. Gemeinsam mit seinem Team suchte der Bioniker daher eine Möglichkeit, zwischen beiden Materialeigenschaften zu wechseln. Außerdem sollte die Lösung einfach und günstig herzustellen sein, um sie auch für technische Anwendungen nutzen zu können. 

Den Aufbau der Heuschrecken-Fußkissen aus einer weichen Hülle und stabilen Fasern im Inneren hatten Gorb und sein Team schon in früheren Untersuchungen erkannt. Solch eine Faserstruktur nachzubauen, wäre für eine industrielle Anwendung allerdings zu zeitaufwendig und zu teuer.

Eine ähnliche Wirkung konnte das Kieler Forschungsteam aber mit einem feinen Granulat erreichen. Der Effekt ist wie bei einer Packung Kaffee: Im Vakuumpack wird der Kaffee zusammengepresst, die Packung wird fest wie ein Ziegelstein. Ist die Packung geöffnet, fehlt der Druck, dann rieselt der gemahlene Kaffee fast wie Wasser.

Tatsächlich benutzten die Kieler Forscher für den Bau ihres Prototypen eines Haftkissens eine Silikonhülle, die sie mit getrocknetem Kaffeesatz füllten. Durch ihre Partikelgröße und ihre raue Form verhaken sich diese Partikel sehr leicht miteinander. Die Forscher testeten den Halt ihres „Granulat-Kissens“ auf glatten, strukturierten und verschmutzten Untergründen. Durch seine weiche Hülle legte sich das Kissen passgenau an die verschiedenen Oberflächen an. Anschließend übten die Wissenschaftler Druck auf das Kissen aus, wodurch sich die Körner im Inneren verdichteten und sich das ganze Kissen verfestigte. Diese Festigkeit und die große Kontaktfläche zum Untergrund erzeugen hohe Reibungskräfte, durch die sich das Kissen nicht mehr verschieben lässt. Auf allen drei Typen von Testflächen erreicht es einen viel höheren Halt als reines Silikongummi oder als ein mit Flüssigkeit gefülltes Kissen. 

Grundsätzlich sei es durchaus denkbar, getrockneten Kaffeesatz im Sinne des Recyclings auch für industrielle Anwendungen zu nutzen. Immerhin sei der Reststoff leicht verfügbar, frei von Schadstoffen und günstig, so Gorb. Forschungen zu weiteren Materialien und Untergründen sind bereits geplant.