Speicherung und Transport von Öl in Borsten spezialisierter Bienen und in faserbasierten Strukturen: Strukturprinzipien, Wirkmechanismen, Numerische Simulation und technologische Umsetzung

• Applicant: Professor Dr. Dieter Wittmann
• Subject Area: Lightweight Construction, Textile Technology
• Term: from 2009 to 2014
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 137891005

Die Fähigkeit mit Ölen umzugehen ist im Tierreich bei zwei einheimischen und ca. 300 neotropischen und afrikanischen Bienen ausgeprägt. Sie sammeln Öle aus Blüten, die sie als Larvenfutter und als Imprägnierung der Brutzellen nutzen. Prinzipiell haben diese Bienen an den Beinen eine Transportstruktur aus verzweigten Borsten (Scopa) mit spezieller Multiskalen-Mikrostruktur, die wiederholt mit Öl rasch beladen und rückstandslos entladen werden kann und einen verlustfreien Transport gewährleistet. Hinzu kommt ein sehr günstiges Verhältnis von Eigengewicht zu Aufnahmekapazität. Diese Eigenschaften der Multiskalen-Mikrostrukturen der Scopa sind aus technischer Sicht von höchstem Interesse.Um die unklaren Wirkmechanismen der selbständigen Beladung der Scopa und der Speicherung des Öls zu klären, werden zunächst die geometrischen, physikalischen und chemischen Parameter der Strukturen in den verschiedenen Größenskalen bestimmt. Zudem werden mit dreidimensionaler numerischer Simulation die kapillaren Strömungsvorgänge in der Scopa untersucht und aufgeklärt, Dabei werden mathematische Homogenisierungstechniken und numerische Multiskalenmethoden eingesetzt, die versprechen, den Wirkmechanismus detailliert beschreibbar und letztlich übertragbar zu machen. In Anlehnung an das biologische Vorbild werden Textilgeflechte entworfen, hergestellt, mathematisch beschrieben und durch Simulation modelliert. Für die Umsetzung werden die hierarchischen Komponenten der Textilien (Filament/Faser (μ) - Garn (μ-mm) - Textilstruktur (>mm)) in experimentellen Ansätzen so variiert, dass sich auf jeder dieser Skalen möglichst optimale Kapillarkräfte ergeben. Variationen werden dabei durch die Anordnung der Filamente/Fasern und deren physikalisch-chemischen Eigenschaften erzeugt. Die Oberflächenenergie wird durch Beschichtungsmaterialien variiert.

• DFG Programme: Research Grants