Kieselalgen – wertvolle Vorbilder für neue Werkstoffe in der Architektur oder in der Luft- und Raumfahrt

Kieselalgen sind mechanisch perfekt optimiert: Ihre Hüllen bieten maximale Stabilität bei minimalem Materialverbrauch und Gewicht, das wiederum macht die Kieselalgen zu wertvollen Vorbildern für neue Werkstoffe in der Architektur oder in der Luft- und Raumfahrt.

Warum Kieselalgen so stabil und vielfältig sind Unzählige Organismen bevölkern jeden Milliliter Meer- oder Seewasser, darunter auch die Kieselalgen. Ihr Markenzeichen sind bizarr geformte Schalen in zahlreichen Variationen. Doch was zeichnet Struktur und Material dieser Schalen aus, die auch ästhetisch ein echter Genuss sind? Warum hat die Natur so viele verschiedene Architekturen entworfen? Antworten auf diese Fragen gibt eine interdisziplinäre Gruppe von Wissenschaftlern Physiker, Meeresbiologen und Schiffbauingenieure in einer aktuellen Ausgabe der Wissenschaftszeitschrift „Nature“. Einer der Autoren ist Prof. Rudolf Merkel vom Forschungszentrum Jülich. Bereits vor 170 Jahren waren Forscher von Kieselalgen und ihrem Reichtum an unterschiedlichen Formen fasziniert. „Die Schalen der Diatomeen, so die biologische Bezeichnung für Kieselalgen, haben sogar den Jugendstil beeinflusst“, erklärt Prof. Rudolf Merkel. „Doch bisher war weder klar, nach welchen Regeln die Natur diese wunderschönen Schalen entwickelt hat, noch warum es heute so viele verschiedene Modelle gibt. Schließlich ist Schönheit alleine kein Argument im Spiel der Evolution.“ Kieselalgen gehören zum Phytoplankton, einer Ansammlung mikroskopisch kleiner, einzelliger Algen, die im Wasser schweben und Sauerstoff und Biomasse produzieren. Ihre Schale besteht aus Kieselsäure, chemisch gesehen ein enger Verwandter von „gewöhnlichem“ Glas. Als „gläserner Panzer“ schützt diese Schale die Einzeller vor Feinden. Deren „Angriffe“ haben die Wissenschaftler im Labor und am Computer simuliert: Mit einer winzigen Glasnadel setzten sie einzelne, 30 bis130 tausendstel Millimeter kleine Kieselalgen zunächst einem kontinuierlich steigenden Druck aus. Es zeigte sich, dass die Kieselalgen einer enormen mechanischen Belastung standhalten: Ihre Schale bricht erst, wenn Kräfte von mehreren hundert Mikronewton auf ihnen lasten hochgerechnet auf eine Fläche von einem Quadratmeter entspricht das mehreren hundert Tonnen. Um der Vielfalt der Feinde Rechnung zu tragen, die im Wasser auf die Kieselalgen lauern, haben die Forscher am Computer anschließend die Beißwerkzeuge unterschiedlicher Angreifer simuliert. Ergebnis dabei: Im Laufe der Evolution haben die Kieselalgen vielfältige Schalen-Strukturen entwickelt, um sich den Beißwerkzeugen verschiedener Angreifer möglichst effektiv zur Wehr zu setzen. So kann längst nicht jeder Angreifer die Schalen der Kieselalgen knacken.

Der Physiker Rudolf Merkel ist seit August 2001 Institutsleiter am Institut für Schichten und Grenzflächen des Forschungszentrums Jülich. Das „Kieselalgen-Projekt“ hat er während seiner Zeit als Nachwuchsgruppenleiter an der Technischen Universität München begonnen. Seine Mitstreiter sind Meeresbiologen vom Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung in Bremerhaven und Schiffbauingenieure der Hochschule Bremen. Ihre fachübergreifende Zusammenarbeit trägt jetzt in Form einer Veröffentlichung in „Nature“ erste Früchte. „Die Kieselalgen zeigen wunderbar, wie effektiv interdisziplinäre Forschung sein kann“, schwärmt Merkel. „Auch in Jülich werden wir diese Arbeiten intensiv fortsetzen.“