Design-Inspiration: Die Geheimnisse der Haihaut

Haie haben ein Image-Problem: überall auf der Welt werden sie als bluthungrige Monster porträtiert – am Berühmtesten im Film ‚Jaws‘. Angst vor Haien ist verbreitet, besonders in Küstenregionen wo ideale Surf- und Schwimmbedingungen neben heimischen Haien auftreten. In solchen Situationen können die weißen Unterseiten der Surfbretter und die sich konstant bewegenden Gliedmaßen diese Tiere leicht provozieren – mit potenziell tragischen Konsequenzen.

In der Tat attackieren Haie relativ selten und viele Hai-Arten brauchen heute Schutz vor menschlichen Aktivitäten, besonders vorm Fischen. Weit entfernt davon nur Filmmonster zu sein, bilden Haie eine wichtige und diverse Gruppe von Knorpelfischen, umfassen um die 360 Spezien innerhalb von 30 Familien in acht taxonomischen Ordnungen. Forschung über Haie hat erst gezeigt wie gut adaptiert sie sind: ins Besondere ihre Haut hat bemerkenswerte Eigenschaften die Haien hilft in einer besonders energieeffizienten Weise zu Schwimmen. Diese Eigenschaften wurden in verschiedenen Bereichen von Technologie aufgegriffen, von Schwimmanzügen bis Flugzeugen.

Stromlinien-Form

Also wie sind Haie an ihren Lebensstil angepasst? Die offensichtlichste Eigenschaft (welche sie mit anderen Fischen teilen) sind ihre stromlinienförmigen Körper, die es ihnen erlauben mit minimaler Energie sehr schnell zu schwimmen. Im ergänzenden Arbeitsblatt ^w1,stellen wir Anweisungen für ein einfaches Experiment zur Verfügung, um zu untersuchen wie Formen die Kräfte beeinflussen, die nötig sind um sich durchs Wasser zu bewegen. Im Experiment, welches für die Sekundärschule geeignet ist, einschließlich Würfel, Kuboide, Kugeln und Zylinder – und eine Haiform – mit Modellier-Lehm mit identischer Menge führt man ein Probeversuch durch, um zu Vergleichen wie lange es dauert bis jede Lehmform auf den Boden eines wassergefüllten Zylinders fällt.

Schuppen: Mit dem Strom schwimmen

Natürlich ist die Bewegung eines Tieres im Wasser durch seine Form beeinflusst, aber auch dadurch wie das Wasser über seine Oberfläche fliesst – genauso wie konkurrierende Schwimmer ihre Haut und ihren Schwimmanzug so glatt wie möglich haben möchten. Wenn du Haihaut streicheln würdest, dann würdest du feststellen, dass sie sich nur in eine Richtung glatt anfühlt; in der entgegengesetzten Richtung fühlt sie sich sehr rau an – als wenn du deine Finger über ein Kiefernzapfen fahren würdest, von der Spitze nach unten, anstatt von der Basis nach oben. Dieser Unterschied in Struktur gibt es weil die meisten Hai-Spezien feine, zahnförmige Schuppen besitzen, die ihre Oberfläche abdecken. Diese ‚plakoiden‘ Schuppen stellen einen Schutz vor Parasiten und Verletzungen dar. Zusätzlich haben Forscher herausgefunden, das es Verbindungen zwischen der genauen Form dieser Schuppen und der Lebensweise von verschiedenen Hai-Spezien gibt.

Zum Beispiel haben Haie, die neben Riffen leben (wie zum Beispiel Schlinghaie, Centrophoridae) glatte Schuppen, da diese den besten Schutz vor mechanischer Abnutzung durch Steine darstellen. Dies ist nicht der Fall für schnellschwimmende jagende Haie, wie der Weiße Hai (Carcharodon carcharias), Seidenhai (Cacharhinus falciformis) und der Hammerhai (Sphyrinidae). Die Schuppen dieser Spezien haben eine bemerkenswerte zusätzliche Eigenschaft: feine, angehobene Kämme oder ‚Rippchen‘ entlang der Länge der Schuppen. Diese Rippchen sind angelegt um kleine Kämme zu formen, die longitudianl entlang des Haikörpers laufen. Obwohl diese Rippchen nur ein paar Millimeter hoch sind, haben Experimente gezeigt, dass sie den Widerstand reduzieren während der Hai schwimmt, welches es ihm erlaubt schneller zu schwimmen mit der gleichen Menge an Energie. Im Gegenteil dazu, Haie die langsam schwimmen – zum Beispiel Katzenhaie (Scyliorhinidae) – haben weniger Rippchen an ihren langen, spitzen Schuppen. Unten kannst du ein paar vergrößerte Bilder von Schuppen von verschiedenen Haispezien sehen und ihre verschiedenen Formen und Rippchenarten.

Flüssigkeitsströmung: ein genauer Blick

Also wie funktionieren Haischuppen und Rippchen? Um das herauszufinden, müssen wir einen genaueren Blick auf die Gesetze der Flüssigkeitsdynamik werfen.

Es gibt zwei verschiedene Formen von dynamischen Strömungen: laminar und turbulent. In der laminaren Strömung bewegt sich die Flüssigkeit nur in eine Richtung; die Partikel der Flüssigkeit können sich mit unterschiedlicher Geschwindigkeit in unterschiedlichen Schichten bewegen, aber die Schichten mischen sich nicht. In der turbulenten Strömung stattdessen gibt es wechselnde Strömungen gegen oder über die Hauptflussrichtung, welche Strudel in den Schichten verursachen. Hier wechseln Flüssigkeitspartikel konstant ihre Position und Geschwindigkeit, welches Energie verbraucht. 

Wenn ein Fisch (ode rein Boot) sic him Wasser bewegt – oder ein Flugzeug fliegt durch die Luft – dann ist der sich bewegende Körper von einem Flüssigkeitsmedium umgeben. Durch Reibung bewegen sich Flüssigkeitspartikel, die direkt in Kontakt sind mit der Oberfläche des Körpers, mit null Geschwindigkeit relativ zu diesem Körper, während weiter entfernt die Flüssigkeit geschmeidig um den Körper herumströmt. 

Lineare Kämme wie die Hai-Rippchen reduzieren diesen Widerstand mit Änderung der Strömung in den Grenzschichten. Dies ist, weil tief zwischen den Tälern der Rippchen die Flussgeschwindigkeit sehr niedrig ist, somit gibt es weniger Reibung. Dennoch formen sich Hochgeschwindigkeits-Wirbel an der Spitze der Rippchen; aber weil die Oberfläche dieser Spitzen relativ klein ist im Vergleich zu der Oberfläche des gesamten Tieres, ist die gesamte Reibung reduziert  (Dean & Bhusan, 2010). Der optimale Abstand der Rippchen hängt von der Geschwindigkeit der Bewegung ab, also bei Haien variiert sie zwischen den Spezien.

Biomimetische Möglichkeiten

Solche Entdeckungen über die Haihaut haben das Interesse von Ingenieuren und Technologen, und auch von Biologen, geweckt – ein Beispiel potentieller ‚biomimetischen‘ Anwendungen, wo biologische Eigenschaften einen Nutzen in technischen Anwendungen gefunden haben.

Oft ist Biomimetik ein von oben nach unten Prozess. Zum Beispiel, um ein Umweltproblem zu lösen, können wir nach einem Analog in der Natur suchen, um leichter eine Lösung zu finden – so wie die Entwicklung von pyrethroiden Insektiziden, welche inspiriert sind von dem natürlich-vorkommendem, pflanzenbasierendem Insektizid Pyrethrum. Andererseits werden in einem von unten nach oben Prozess biologische Systeme analysiert, um Prozeduren und Konstruktionen zu identifizieren, die irgendeine nützliche technologische Anwendung haben könnten. Die Entdeckung von Haischuppen-Rippchen ist so ein Fall, und diese werden jetzt als Inspiration für andere Oberflächen genutzt, die sich durch Flüssigkeiten bewegen, so wie die folgenden Beispiele zeigen.

Rippchen-Folien an Flugzeugen

Schon seit 1989 hat der Flugzeug-Hersteller Airbus Rippchen-Experimente durchgeführt. Sie bedeckten 70-80% eines Airbusses A380 mit metallischen Rippchen-Folie, mit den Rippchen in der Form von scharf-spitzigen Dreiecken. Tests haben gezeigt das die Reibung um bis zu 8% reduziert, ähnlich zu einer Tankeinsparung von 1-2% unter realen Konditionen, was einem A380 erlauben würde zusätzliche 4 Tonnen von Traglast zu transportieren. In noch jüngerer Zeit wurde eine Polymer-Version entwickelt, bei dem eine Beschichtung auf die Oberfläche aufgetragen wird und die Rippchen-Struktur eingepresst ist und dann erhärtet. Diese Version hat den Vorteil, dass sie einfacher auf kurvigen Oberflächen aufzutragen ist.

Schiffsrümpfe sauber halten

Schiffsrümpfe liegen unter Wasser und bekommen Schichten von biologischem Wachstum von Schiffspocken, Algen und anderen Materialien. Dieses Anwachsen verursacht erhöhten Widerstand und somit zusätzliche Tankkosten für Transport. Forschung hat gezeigt, das eine unebene Oberfläche wie die Rippchenschuppen auf einer Haihaut eine große Hilfe ist, da sie beides reduziert, die Menge an Wachstum während eines Jahres um bis zu 60% und macht das Abputzen des Wachstums einfacher (während man die umweltschädlichen Effekte mancher anwuchsverhindernden Mittel verhindert). Ähnlich zum Flugzeug können Rippchen-Oberflächen bei Schiffen den Wasserwiderstand um bis zu 10% reduzieren (Fu et al., 2017).

Schwimmen wie ein Hai?

Letztendlich und sehr umstritten haben manche olympischen Schwimmer entschieden einen Ganzkörper-Schwimmanzug aus Rippcheneffekt-Material zu tragen und haben dann Goldmedaillen gewonnen. Obwohl das Ausmaß zu dem der Rippcheneffekt zu diesen Erfolgen beigetragen hat immer noch ein umstrittenes Thema ist, wurden Ganzkörper-Schwimmanzüge vom Wettbewerb 2010 verbannt. Also obwohl die Rippchenschuppen den Haien einen evolutionären Vorteil gegeben haben, diesen Vorteil in der Welt des Wettbewerbs-Schwimmens anzuwenden ist eher ein fragwürdiges Thema.

Anerkennung

Die Redakteure möchten sich bei Dr. Katharina Sonnen für ihren Ratschlag zu diesem Artikel bedanken.