P1 Geheimnisse der Korallen – wie widerstehen die Glasblumen des Ozeans der Ermüdung durch Wellen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr.-Ing. Franziska Schmidt; Professor Dr. Paul Zaslansky
• Fachliche Zuordnung: Polymere und biogene Werkstoffe und darauf basierende Verbundwerkstoffe ; Biomaterialien ; Glas und Keramik und darauf basierende Verbundwerkstoffe
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 516930787

Steinkorallen sind hochmineralisierte, glasig-kristalline (aragonitische) Strukturen, die in ihrer langen Evolutionsgeschichte erfolgreich in der wellenreichen Umgebung des Meeres überlebt haben. Wie diese anmutigen Geschöpfe, in denen Korallen und Algen in ausgedehnten Poren leben, den zyklischen Wellenbelastungen widerstehen, ist jedoch nicht bekannt. Die ausgeklügelten blumenartigen Geometrien und knochenähnlichen Verstrebungen überleben Jahrzehnte und Jahrhunderte einschlagender Wellenkräfte, was darauf hindeutet, dass die Struktur eine Schadensresistenz aufweisen muss, die bisher noch nicht untersucht wurde, obwohl bekannt ist, dass sich Risse festsetzen. In diesem Projekt schlagen wir vor, uns von natürlichen, hochgradig anorganischen Strukturen - die an die zyklischen Kräfte im Meer angepasst sind - inspirieren zu lassen, wie man die mechanische und Ermüdungsbeständigkeit in hochgradig spröden glaskeramischen 3D-Strukturen verbessern kann. Einerseits werden erwachsene Korallenkolonien, die in ruhigen, geschützten Gewässern gezüchtet wurden, mit identischen Arten verglichen, die in exponierten Regionen der Rifffront gezüchtet wurden, wo starke Wellenströmungen in den relevanten Nischen im Golf von Eilat, Israel, auftreten. Die Korallen werden sich in den Monaten nach dem Einsetzen anpassen und dann analysiert werden. In zusätzlichen Laborexperimenten in Aquarien werden die jungen Korallen ruhigen und zyklischen Wellenströmungen ausgesetzt, um das Wachstum der Unterwasserproben nachzuahmen. Die geernteten Korallenproben werden für strukturelle, quasistatische und mechanische Ermüdungstests mit hochauflösender 3D-Bildgebung über optische, Elektronen- und Synchrotron-Röntgenstrahlungseinrichtungen nach Berlin gebracht. Auf der anderen Seite werden 3-dimensionale Glas-Keramik-Strukturen durch Foam-Replikat- und additive Fertigungsmethoden mit verschiedenen Glaszusammensetzungen hergestellt. Wir werden Gläser auf Silikatbasis mit unterschiedlichen Kristallisationstendenzen kombinieren und innerhalb eines Temperaturbereichs wärmebehandeln, um eine kontrollierte Kristallisation zu erzwingen und Spannungen im System zu erzeugen. Wir werden biomimetische 3D-Glaskeramikstrukturen herstellen, die die morphologischen und mikrostrukturellen Designmerkmale der Korallen nachahmen. Wir werden den Einfluss von Material-, Porositäts- und Mikrostrukturgradienten auf die mechanischen Eigenschaften und die Ermüdungsbeständigkeit der synthetischen Schäume untersuchen und diese Ergebnisse mit den Eigenschaften und dem Verhalten natürlicher Korallen in Beziehung setzen.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 5657: Bioinspiration gegen Ermüdung: Verbesserung der strukturellen Eigenschaften von Werkstoffen durch Abstraktion natürlich gewachsenen Ermüdungswiderstands
• Internationaler Bezug: Israel
• ausländ. Mitantragstellerin: Professorin Dr. Tali Mass, Ph.D.