Mini-U-Boot ohne Motor

Wärme als Antrieb: Forscher haben ein Mini-U-Boot konstruiert, das ganz ohne Strom oder Treibstoff auskommt. Der kleine Tauchroboter bewegt seine Antriebspaddel allein durch Wärme des umgebenden Wassers. Ein Prototyp kann bereits autonom Fracht aufnehmen und an einer bestimmten Stelle ablegen, wie die Forscher berichten. Aber auch andere einprogrammierte Aufgaben sollen die schwimmenden Minihelfer künftig erledigen können.

Mini-U-Boote liegen im Trend: Weltweit arbeiten Forscher an verschiedensten Versionen winziger Tauchvehikel, die sich mehr oder weniger eigenständig durch Flüssigkeiten bewegen können. Unter ihnen sind Nano-U-Boote mit Lichtantrieb, aber auch ein röhrchenförmiges U-Boot mit dem kleinsten Düsenantrieb der Welt. Solche Minivehikel könnten eines Tages beispielsweise in Leitungen schwimmen und Reparaturen durchführen oder auch Wirkstoffe im menschlichen Blut an ihr Ziel bringen.

Polymerstreifen als „Muskeln“

Ein neues Antriebskonzept für Mini-U-Boote hat nun ein Forscherteam um Kristina Shea von der ETH Zürich entwickelt. Das Vehikel ist 7,5 Zentimeter lang und wurde komplett am 3D-Drtucker hergestellt. Das Besondere aber: „Wir demonstrieren einen kabellosen, schwimmenden Roboter, der einprogrammierte Aufgaben ohne Elektronik, Kontroller oder Stromquellen an Bord bewältigen kann“, erklären die Forscher.

Möglich wird dies, weil das U-Boot Temperaturschwankungen im Wasser als Antrieb nutzt. Dafür konstruierten die Wissenschaftler Paddel, die aus jeweils zwei Streifen eines Polymers mit Formgedächtnis bestehen. Diese Streifen dienen dem U-Boot als Muskeln: Ähnlich wie bei einem Bimetallstreifen verändert sich die Krümmung der Paddel, wenn das Vehikel in wärmeres oder kälteres Wasser kommt.

Wassertemperatur als Antrieb

Konkret bedeutet dies: Wird das Wasser erwärmt, in dem das Mini-U-Boot schwimmt, führt dies zu einem Ausdehnen der „Muskeln“. Dadurch klappt ein Hubelement rasch um und löst so einen Paddelschlag aus. Die Bewegung, Stärke und das Timing des Paddelschlags sind durch die U-Boot-Konstruktion genau definiert.

Ein Prototyp dieses U-Boots hat bereits erfolgreich eine Aufgabe gelöst: „Wir haben das Vehikel so programmiert, dass es autonom eine Fracht abliefert und dann zum Ausgangspunkt zurückkehrt“, berichten Shea und ihre Kollegen. Das Vehikel paddelte dafür zunächst vorwärts und trug dabei eine Münze mit sich. An einem zuvor definierten Punkt legte der Tauchroboter die Münze ab und beförderte sich mit einem zweiten Paddelschlag in Gegenrichtung an den Ausgangspunkt zurück.

Erst der Anfang

Noch ist dieses Mini-U-Boot eher primitiv und kann noch nicht viel. Die Forscher aber sind zuversichtlich, dieses Konzept weiterentwickeln zu können. Neben besseren Schwimmfähigkeiten wäre es beispielsweise möglich, die Paddel nicht auf die Wassertemperatur, sondern auf andere Umwelteinflüsse wie zum Beispiel den Säuregrad oder den Salzgehalt des Wassers reagieren zu lassen, wie sie erklären.

„Das Zentrale unserer Arbeit ist, dass wir eine neue und vielversprechende Antriebsart entwickelt haben, die vollständig 3D-gedruckt ist und ohne externe Stromquelle auskommt“, sagt Shea. Eine mögliche spätere Anwendung wäre ein stromsparendes Vehikel zur Meereserkundung. (Proceedings of the National Academy of Sciences, 2018; doi: 10.1073/pnas.1800386115)

(Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich), 05.06.2018 – NPO)