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Bionik: Mini-Pumpe läuft mit Zucker

Amerikanische Forscher haben sich vom Wassertransportsystem in Bäumen zum Bau eines Mini-Antriebs inspirieren lassen, der lediglich Zucker als Treibstoff benötigt. Mit ihrem 'tree-on-a-chip' wäre es in Zukunft möglich, kleine Maschinen anzutreiben.
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Die Natur bietet ein nahezu unerschöpfliches Reservoir an einfachen und gleichzeitig eleganten Lösungen für alle möglichen Fragestellungen. Dies macht sich die Bionik zu Nutze, die Prinzipien aus der Natur in technische Innovationen umsetzt. Ingenieure vom Massachusetts Institute of Technology in Boston haben nun nach dem Vorbild von Bäumen eine winzige hydraulische Maschine gebaut, die in der Lage ist, sich über mehrere Tage hinweg selbst anzutreiben. Dafür benötigt sie lediglich Zucker und Wasser. Der überraschend simple Mechanismus könnten in Zukunft Anwendung bei kleinen Robotern finden, deren Antrieb bisher kompliziert und teuer ist.

Dabei hatten die Forscher ihre Pumpe zunächst nur gebaut, um das Prinzip des Nährstofftransports in großen Bäumen besser zu verstehen. Denn seit vielen Jahrzehnten haben Botaniker darüber zwar einleuchtende Theorien, sind in Detailfragen aber noch erstaunlich ratlos. Es gilt als weitgehend gesichert, dass Wasser durch die Xylem-Leitbündel der Bäume vor allem passiv nach oben strömt, weil es in den Blättern ständig verdunstet (Kohäsionstheorie). Dort angekommen, fließt es durch eine wasserdurchlässige Membran in das Phloem-Leitbündel, das größere Mengen Zucker enthält, der bei der Fotosynthese in den Blättern entsteht. Angetrieben von diesem osmotischen Prozess und entstehenden Druckunterschieden innerhalb der Leitbündel werden der Zucker und andere Nährstoffe dorthin transportiert, wo sie gebraucht werden. Gerade dieser Mechanismus – der "münchsche Transport" im Phloem-Leitbündel der Pflanze nach der Druckstrom-Hypothese – wirft im Einzelnen aber noch allerlei Fragen auf.

Im Phloem entsteht ein Druckgefälle zwischen mehr und weniger zuckerhaltigen Bereichen – und damit ein Flüssigkeitsstrom in diese Richtung. Nach ebendiesem Prinzip bauten die MIT-Forscher ihren "tree-on-a-chip": Sie bastelten ein Sandwich aus zwei Kunststoffplättchen, in die sie jeweils einen kleinen Kanal bohrten. Zwischen die Plättchen legten sie eine wasserdurchlässige Kunststoffmembran, so dass beide Kanäle, entsprechend dem Xylem- und Phloemleitsystem von Bäumen, miteinander in Kontakt standen. Einen Kanal füllten sie mit Wasser, den anderen mit einer Zuckerlösung, die durch eine direkt benachbarte Zuckerquelle ständig Nachschub erhielt. Angetrieben vom osmotischen Druck pumpte der "tree-on-a-chip" über mehrere Stunden hinweg Wasser aus einem angeschlossenen Reservoir in ein Becherglas, und das mit konstanter Flussrate. Die kleinen Pumpe, meinen die Forscher, könnte eine Mini-Maschine im Prinzip mehrere Tage mit einer Zuckerfüllung antreiben.

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