Diese von Haifischdärmen inspirierten 3D-gedruckten Rohre übertreffen Tesla-Ventile

Wissenschaftler der University of Washington haben die charakteristischen Spiralformen von Haidärmen in 3D-gedruckten Rohren nachgebildet, um den einzigartigen Flüssigkeitsfluss innerhalb der Spiralen zu untersuchen. Ihre Prototypen sorgten dafür, dass Flüssigkeiten in einer bevorzugten Richtung strömten, ohne dass Klappen zur Steuerung dieses Flusses erforderlich waren, und funktionierten deutlich besser als sogenannte „Tesla-Ventile“, insbesondere wenn sie aus weichen Polymeren hergestellt waren, so a neues Papier veröffentlicht in den Proceedings of the National Academy of Sciences.

Wie wir bereits berichteten, war er 1920 ein in Serbien geborener Erfinder Nikola Tesla entwarf und patentierte etwas, das er als „Klappenkanal„: ein Rohr, dessen inneres Design sicherstellt, dass die Flüssigkeit in eine bevorzugte Richtung fließt, ohne dass bewegliche Teile erforderlich sind, was es unter anderem ideal für Mikrofluidikanwendungen macht. Der Schlüssel zu Teslas genialem Ventildesign ist eine Reihe miteinander verbundener, asymmetrischer, tränenförmige Schlaufen.

In seine Patentanmeldungbeschrieb Tesla diese Serie von 11 Strömungskontrollsegmenten als aus „Vergrößerungen, Vertiefungen, Vorsprüngen, Leitblechen oder Eimern bestehend, die, abgesehen von der Oberflächenreibung, dem Durchfluss von Flüssigkeit in eine Richtung praktisch keinen Widerstand entgegensetzen, aber eine nahezu konstante Strömungsgeschwindigkeit darstellen.“ unüberwindbares Hindernis für seinen Fluss in die entgegengesetzte Richtung. Und da dies ohne bewegliche Teile erreicht wird, ist ein Tesla-Ventil wesentlich widerstandsfähiger gegen den Verschleiß durch häufigen Betrieb.

Tesla behauptete, dass Wasser in eine Richtung 200-mal langsamer durch sein Ventil fließen würde als in eine andere, was möglicherweise übertrieben war. Ein Team von Wissenschaftlern der New York University baute 2021 ein funktionierendes Tesla-Ventilin Übereinstimmung mit dem Entwurf des Erfinders, und prüfte diesen Anspruch, indem er den Wasserfluss durch das Ventil in beide Richtungen bei verschiedenen Drücken maß. Die Wissenschaftler stellten fest, dass das Wasser in der nicht bevorzugten Richtung nur etwa doppelt so langsam floss.

Durchflussrate erwies sich als kritischer Faktor. Das Ventil bot bei langsamen Durchflussraten nur einen sehr geringen Widerstand, aber sobald diese Rate über einen bestimmten Schwellenwert anstieg, erhöhte sich auch der Widerstand des Ventils, wodurch turbulente Strömungen in umgekehrter Richtung erzeugt wurden, wodurch das Rohr durch Wirbel und störende Strömungen „verstopft“ wurde. Es funktioniert also eher wie ein Schalter und kann auch dazu beitragen, pulsierende Ströme zu glätten, ähnlich wie AC/DC-Wandler Wechselströme in Gleichströme umwandeln. Das könnte sogar Teslas ursprüngliche Absicht bei der Entwicklung des Ventils gewesen sein, da sein größter Ruhm darin bestand, sowohl den Wechselstrommotor als auch einen Wechselstrom/Gleichstrom-Wandler zu erfinden.

Es hilft, ein Hai zu sein

Das Tesla-Ventil bietet auch ein nützliches Modell dafür, wie sich Nahrung durch das Verdauungssystem vieler Haiarten bewegt. Im Jahr 2020 haben japanische Forscher rekonstruierte mikroskopische Aufnahmen histologischer Schnitte von einer Katzenhaiart in ein dreidimensionales Modell, das einen verlockenden Einblick in die Anatomie eines spiralförmigen Darms bietet. Im folgenden Jahr führten Wissenschaftler CT-Scans der Haidärme durch und abgeschlossen dass der Darm natürlich vorkommt Tesla-Ventile.

Hier kommt die Arbeit des UW-Postdocs Ido Levin und seiner Co-Autoren ins Spiel. Sie hatten insbesondere Fragen zur Forschung 2021. „Strömungsasymmetrie in einem Rohr ohne bewegliche Klappen bietet ein enormes technologisches Potenzial, aber der Mechanismus war rätselhaft.“ sagte Levin. „Es war nicht klar, welche Teile der Darmstruktur des Hais zur Asymmetrie beitrugen und welche nur dazu dienten, die Oberfläche für die Nährstoffaufnahme zu vergrößern.“

Levin et al. 3D-gedruckte mehrere Rohre mit einer inneren Spiralstruktur, die der von Haidärmen nachempfunden ist, wobei bestimmte geometrische Parameter wie die Anzahl der Windungen oder der Steigungswinkel der Spirale variiert wurden. Zwar handelte es sich um eine idealisierte Struktur, daher freute sich das Team, als die erste Charge aus starren Materialien die erhoffte Strömungsasymmetrie erzeugte. Nach weiterer Feinabstimmung der Parameter erzeugten die starren gedruckten Rohre Strömungsasymmetrien, die den Tesla-Ventilen entsprachen oder diese übertrafen.

Doch die Forscher waren noch nicht fertig. „(Frühere Arbeiten) haben gezeigt, dass, wenn man diese Därme in der gleichen Richtung wie ein Verdauungstrakt verbindet, man einen schnelleren Flüssigkeitsfluss erhält, als wenn man sie umgekehrt verbindet. Wir fanden das aus physikalischer Sicht sehr interessant.“ sagte Levin letztes Jahr bei der Präsentation vorläufiger Ergebnisse auf der 67. Jahrestagung der Biophysikalischen Gesellschaft. „Einer der Sätze der Physik besagt tatsächlich, dass man, wenn man ein Rohr nimmt und Flüssigkeit sehr langsam hindurchfließen lässt, denselben Fluss erhält, wenn man es umkehrt. Daher waren wir sehr überrascht, Experimente zu sehen, die der Theorie widersprechen. Aber dann.“ Sie erinnern sich, dass die Eingeweide nicht aus Stahl bestehen – sie bestehen aus etwas Weichem, sodass Flüssigkeit, die durch das Rohr fließt, es verformt.“

Das gab Levin et al. die Idee, ihre Pfeifen aus weichen, verformbaren Polymeren herzustellen – den weichsten im Handel erhältlichen, die auch für den 3D-Druck verwendet werden könnten. Diese Rohrcharge schnitt hinsichtlich der Strömungsasymmetrie siebenmal besser ab als alle früheren Messungen von Tesla-Ventilen. Und da echte Haidärme etwa 100-mal weicher sind als die von ihnen verwendeten Polymere, geht das Team davon aus, dass sie eine noch bessere Leistung erzielen können, vielleicht mit Hydrogelen, wenn diese im Zuge der Weiterentwicklung des 3D-Drucks breiter verfügbar werden. Die größte Herausforderung besteht laut den Autoren darin, weiche Materialien zu finden, die hohen Verformungen standhalten.

Da die Rohre schließlich dreidimensional sind, können sie größere Flüssigkeitsmengen aufnehmen, was Anwendungen in größeren kommerziellen Geräten ermöglicht. „Chemiker waren bereits motiviert, Polymere zu entwickeln, die gleichzeitig weich, fest und druckbar sind.“ sagte Co-Autor Alshakim Nelsondessen Expertise in der Entwicklung neuartiger Polymere liegt. „Der potenzielle Einsatz dieser Polymere zur Steuerung von Strömungen in Anwendungen von der Technik bis zur Medizin verstärkt diese Motivation.“

PNAS, 2024. DOI: 10.1073/pnas.2406481121 (Über DOIs).