Zusammenfassung:
Forscher der University of California, Berkeley, der Harvard University und der Polytechnischen Universität Istanbul in der Türkei haben eine Metamaterial-Designmethode entwickelt, die Tragfähigkeit und Flüssigkeitsleistung berücksichtigt und sich dabei auf die Skelettstruktur des Tiefsee-Glasschwamms „Euplectella aspergillum“ stützt. Die in Nature Communications veröffentlichte Forschung konzentriert sich nicht auf die Nachbildung des Schwamms selbst, sondern auf die Umsetzung seiner leichten, starken Gittergeometrie in rechnerisch optimierte technische Strukturen.
Der Rahmen des Venus Basket besteht aus glasartigem Silizium. Die Längs- und Umfangsrahmen, die Querdiagonalen und die äußeren Spiralmuster bilden zusammen ein komplexes Gitter, das es ermöglicht, dem Druck und den Strömungen der Tiefsee standzuhalten und Wasser durch oder um den Körper zu leiten. Das Forschungsteam hofft, aus dieser Struktur zu lernen und die gängigen Widersprüche im technischen Design zu lösen: Das Material sollte so leicht wie möglich sein und möglichst wenig Material verbrauchen, gleichzeitig aber stark genug sein, um den Widerstand und die Vibrationen durch Wind oder Wasserströmung zu reduzieren.
Zu diesem Zweck nutzte das Team eine Finite-Elemente-Analyse zur Bewertung der Strukturfestigkeit, numerische Strömungsdynamik zur Simulation der Strömung und nutzte anschließend einen Bayes'schen Optimierungsalgorithmus mit mehreren Zielen, um automatisch Hunderte von geometrischen Lösungen zu überprüfen und anzupassen. Zu den Optimierungszielen gehören die Erhöhung der kritischen Knicklast der Struktur und die Reduzierung des Flüssigkeitswiderstands, des Auftriebs und der Auftriebsschwankungen; Letzteres hängt mit der Wirbelablösung und den dadurch verursachten Vibrationen zusammen. Anschließend stellten die Forscher mithilfe der Stereolithographie die ausgewählten Strukturen her und verifizierten die Simulationsergebnisse durch Kompressionsexperimente und Partikelbildgeschwindigkeitsmessung.
Experimente zeigen, dass bei unterschiedlichen Materialvolumenanteilen die kritische Knicklast des optimierten Gitters im Vergleich zum Basisdesign um durchschnittlich etwa 140 % erhöht ist, während gleichzeitig Widerstand, Auftrieb und Wirbelablösung reduziert werden. Berkeley sagte beispielsweise, dass eine nahezu massive zylindrische Struktur mit einem Öffnungsverhältnis von nur etwa 5 % und einem spiralförmigen Grat auch durch Flüssigkeit verursachte Vibrationen erheblich unterdrücken kann, ohne die strukturelle Stabilität zu beeinträchtigen. Die Forscher sagten, dass diese Verbesserungen auf der Optimierung der Geometrie beruhen und nicht das Materialvolumen erhöhen; Die relevanten Werte sind die Vergleichsergebnisse der experimentellen Struktur und des Benchmark-Schemas und bedeuten nicht, dass alle Materialien oder Anwendungen gleichermaßen verbessert werden können.
Das Team glaubt, dass diese Methode das Potenzial hat, in Strukturen eingesetzt zu werden, die leicht und belastbar sein und über einen langen Zeitraum flüssigen Umgebungen ausgesetzt sein müssen, darunter Flugzeugkomponenten, Stützstrukturen für U-Boot-Pipelines und medizinische Stents, die dabei helfen, Flüssigkeitskanäle im Körper aufrechtzuerhalten. Es kann auch für windbeeinflusste technische Anlagen wie Hochhäuser geeignet sein. Die Forschung befindet sich noch in der Entwurfsrahmen- und Prototypenüberprüfungsphase, und praktische Anwendungen erfordern weitere Tests mit verschiedenen Materialien, Maßstäben, Lasten und Herstellungsmethoden.
Kommentare