Zürich – Wissenschafter von der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich (ETH) haben mit Kollegen am Caltech in Pasadena, Kalifornien, ein innovatives Antriebskonzept für Tauchroboter präsentiert. Der "Motor" nutzt Temperaturschwankungen im Wasser als Energiequelle und kommt völlig ohne Treibstoff- und Stromversorgung aus.

Im Rahmen einer Machbarkeitsstudie entwickelten die Wissenschafter um Kristina Shea ein mit Paddeln ausgestattetes, 7,5 Zentimeter kleines Mini-U-Boot, das sie vollständig auf einem 3D-Drucker herstellten. Bewegt werden die Paddel durch ein Antriebselement, dessen Kernstück zwei Streifen aus einem Kunststoff mit Formgedächtnis sind und das von Shea und ihrem Doktoranden Tim Chen entwickelt worden ist.

Unterwasserfortbewegung per Muskelkraft

Die Kunststoffstreifen dienen dem Boot als "Muskeln". Sie sind so beschaffen, dass sie sich in warmem Wasser ausdehnen. Wird das Wasser, in dem das Mini-U-Boot schwimmt, erwärmt, führt das Ausdehnen der "Muskeln" dazu, dass ein Hubelement rasch umklappt und so einen Paddelschlag auslöst. Die Bewegung, Stärke und das Timing des Paddelschlags sind durch die U-Boot-Konstruktion genau definiert.

Vorerst sind die Minivehikel so beschaffen, dass jedes Hubelement einen Paddelschlag ausführen kann und danach wieder von Hand zurückgesetzt werden muss. Die Wissenschafter betonen allerdings, dass es jedoch möglich ist, komplexe Unterwasserroboter mit vielen Antriebselementen zu bauen.

So haben die Forscher bereits ein Mini-U-Boot konstruiert, das mit einem Schlag vorwärtspaddelt, eine Münze absetzt und sich schließlich mit einem zweiten Paddelschlag in Gegenrichtung an den Ausgangspunkt zurückzieht. Über die Dimensionen der Kunststoffmuskeln definierten die Wissenschaftler, in welcher Reihenfolge die Paddelschläge ausgelöst werden: Dünne Kunststoffstreifen erwärmen sich in warmem Wasser schneller und reagieren daher auch schneller als dickere.

Künftige Meereserkunder

Zu denkbaren Weiterentwicklungen gehört der Einsatz von Kunststoffen, die nicht auf die Wassertemperatur, sondern auf andere Umwelteinflüsse wie zum Beispiel den Säuregrad oder den Salzgehalt des Wassers reagieren. "Das Zentrale unserer Arbeit ist, dass wir eine neue und vielversprechende Antriebsart entwickelt haben, die vollständig 3D-gedruckt ist und ohne externe Stromquelle auskommt", sagt Shea. Eine mögliche spätere Anwendung wäre ein stromsparendes Vehikel zur Meereserkundung. (red, 6.6.2018)