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Schlichting!: Wie Pflanzen den Tau aufsaugen

Manche Pflanzen schöpfen Feuchtigkeit direkt aus der Luft, indem Wasserdampf an ihren Blättern kondensiert. Eine Strategie, die Wissenschaftler nun nachahmen wollen.
Tautropfen auf GrashalmenLaden...

Bei einem Regenschauer suchen wir Schutz unter Bäumen, denn das Blätterdach hält den Boden trocken. Gelegentlich allerdings verhält es sich gerade umgekehrt, vor allem am Morgen – dann ist es nur rund um den Stamm nass. Dieses sonderbare Phänomen ist sogar von großer ökologischer Bedeutung. In niederschlagsarmen Gebieten der Erde trägt es maßgeblich zur Wasserversorgung mancher Pflanzen bei.

Bei Nebel kommt man den Ursachen schnell auf die Spur. Ein Teil der durchziehenden Schwaden bleibt an den Blättern der Bäume hängen. Die winzigen Tropfen vereinigen sich mit nachfolgenden und fallen schließlich auf Grund der eigenen Schwere ab.

Doch manchmal findet man frühmorgens selbst nach einer klaren Nacht ohne Anzeichen von Nebel trotzdem feuchte Stellen unter manchen Pflanzen. Dann verdankt sich die Wassergewinnung aus dem vermeintlichen Nichts einem anderen Effekt: Auf den Blättern der Bäume bildet sich Tau. Wenn es nachts kälter wird, nimmt die maximal mögliche Wasserdampfkonzentration ab. Sie sinkt dabei oft unter die tatsächlich vorhandene Feuchte – der so genannte Taupunkt wird unterschritten.

Kanarische KiefernLaden...
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Kanarische Kiefern | Die langen Nadeln der Kanarischen Kiefern sind ideale Wassersammler. Selbst bei leichtem Nebel oder Taubildung fangen sie winzige Tropfen ein und leiten diese zum Wurzelbereich.

Die Blätter der Pflanzen kühlen sich schnell ab, denn sie haben wenig Masse und daher eine geringe Wärmekapazität. Als Folge ihrer eigentlichen Funktion, tagsüber möglichst viel Sonnenlicht einzufangen, sind sie nachts ebenso optimal zum kalten Weltall ausgerichtet und geben an dieses Energie durch Wärmestrahlung ab.

Damit sich Wasserdampf absetzen kann, sind zusätzlich zur Unterschreitung des Taupunkts Kondensationskeime nötig. Winzige Oberflächenstrukturen und Verunreinigungen bieten davon reichlich. Sobald an den Stellen Minitröpfchen entstanden sind, wachsen diese zügig, denn sie sind perfekte Orte für weitere Kondensation.

Schließlich neigen sich die Blätter. Meist sind sie ohnehin nicht waagerecht ausgerichtet, und selbst wenn, verbiegt sie die zunehmende Last. Die Schwerkraft lässt die Tropfen herabgleiten und zu Boden fallen. Das geschieht aber erst bei einer kritischen Größe.

Rasches Abperlen dank abweisender Oberflächen

Diese hängt einerseits von der Benetzbarkeit der Blätter ab, also der Adhäsionskraft, mit der Wasser daran haftet. Der Wert dafür lässt sich mit Hilfe des so genannten Kontaktwinkels bestimmen. Das ist die Neigung zwischen dem Rand der gekrümmten Oberseite eines Tropfens und der Blattoberfläche. Bei einem spitzen Winkel ist der Untergrund hydrophil (Wasser liebend), bei 90 bis 180 Grad ist er hydrophob (Wasser abweisend). Im letzteren Fall können sich bereits relativ kleine Tropfen ablösen. Das ist der berühmte Lotoseffekt, der sich hier zu Lande auch bei Kapuzinerkresse oder bei Kohlrabi beobachten lässt.

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Kohlrabiblatt | Auf einem Kohlrabiblatt nimmt der große Tropfen in der Rinne der Blattader beim Abgleiten kleinere mit. Diese wären von sich aus nicht in Bewegung gekommen.

Andererseits ist die Voraussetzung für das Herunterfallen eine ausreichende Neigung der Blätter. Denn mit ihr wächst die Komponente der Schwerkraft, die für das Hinabkullern entscheidend ist. Da die Belastung durch das sich sammelnde Wasser das Blatt krümmt, kommt es zu einer Art Rückkopplung: Je mehr Tropfen entstehen und je größer sie werden, desto eher lösen sie sich ab.

Die Vorgänge kommen morgens zum Erliegen, wenn mit steigender Umgebungstemperatur die maximal erreichbare Feuchte wieder zunimmt. Dann erhöht sich der Taupunkt, und die Neigung zur Kondensation sinkt. Schließlich überwiegt die Verdunstungsrate, so dass die letzten Wasserrückstände allmählich verschwinden. Um bis dahin möglichst viel Feuchtigkeit zu den Wurzeln zu leiten, sollten die Tropfen rasch zu Boden gehen und Platz für neue machen. Falls die Pflanze auf diese Versorgung angewiesen ist, sollten sie deswegen idealerweise schnell auf das kritische Volumen zum Abgleiten kommen.

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Kontaktwinkel | Je wasserabweisender eine Unterlage ist, desto größer ist der Kontaktwinkel eines darauf liegenden Tropfens.

Zu Beginn wachsen einmal entstandene Tropfen jeder für sich. Zwei kleine verschmelzen erst dann zu einem großen, wenn sie sich zufällig berühren. Der Menge an herabrieselndem Wasser würde demnach zunehmen, wenn solche Vereinigungen öfter und zielgerichteter vorkämen. Die kanarische Kiefer etwa hat dafür besonders lange und schmale Nadeln entwickelt – eine fast eindimensionale Struktur. Die Tropfen kommen daher wesentlich rascher mit Nachbarn in Kontakt als bei einem ungerichteten Wachstum in der Fläche.

»Die Tropfen Tau schon rinnen, auf uns und über uns«
(Achim von Arnim, 1781–1831)

Auf den sehr biegsamen Nadeln geraten die Tropfen bald ins Gleiten und reißen auf dem Weg herab kleinere Exemplare mit. Und zwar nicht nur einige weitere, zufällig auf ihrer Bahn liegende, wie es auf einem flächenhaften Blatt der Fall wäre, sondern gleich alle, die sich unterhalb von ihnen befinden. Auch andere Pflanzen bieten eine solche anisotrope Topografie, etwa der Bambus. Dieser verfügt über in Längsrichtung geordnete Blattadern. Sie begünstigen schmale, elliptisch geformte Wassertröpfchen und führen sie gezielt hinab.

Die Idee, durch eine derartige Strukturierung Flüssigkeit effektiver aus Dampf zu produzieren, fasziniert Wissenschaftler schon länger. Sie wollen mit maßgeschneiderten Oberflächen unter anderem in Wüsten Trinkwasser gewinnen. 2019 hat eine französische Forschergruppe von einer Möglichkeit berichtet, auch kleinere Tropfen in Bewegung zu versetzen und ablaufen zu lassen, die normalerweise wieder verdunsten würden.

Das Team um Pierre-Brice Bintein von der Université Paris Diderot hat dazu mikroskopisch kleine Rillen auf Materialien aufgebracht. Daraufhin floss kondensiertes Wasser wesentlich leichter ab als auf glatten Flächen. Die Tropfen verschmelzen eher zu einer kritischen Größe, und auf dem Substrat verbleiben weniger Rückstände. Wenn es Ingenieuren gelingt, solche Strukturen großflächig und günstig herzustellen, ließe sich nicht nur mehr Nebel und Wasserdampf in Wüsten ernten, sondern außerdem die Entwässerung in anderen Systemen verbessern, bei denen die Schwerkraft eine Rolle spielt, von der Destillation bis zum Wäschetrockner.

Mai 2020

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft Mai 2020

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  • Quellen

Bintein, P.-B. et al.: Grooves accelerate dew shedding. Physical Review Letters 122, 2019

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