Krebsscheren als Plasmagenerator

Knallkrebse verdanken ihren Namen einem Kunststück, das in der Natur einzigartig ist: Auf der Jagd nach Beute schlagen sie ihre Scheren blitzschnell zusammen und erzeugen so einen mit Wasserdampf gefüllten Hohlraum, der kurz darauf mit einem lauten Knall implodiert. Forscher der Texas A&M University in den USA bauten diese speziellen Krebsscheren nun erstmals mit einem 3D-Drucker nach. Wie sie in der Fachzeitschrift „Science Advances“ berichten, ließen sich mit den künstlichen Krebsscheren ebenfalls Dampfblasen erzeugen. Bei deren Implosion entstand nicht nur ein lumineszierendes Leuchten, sondern auch ein heißes Plasma aus elektrisch geladenen Teilchen.

Als Vorbild für ihre Experimente wählten Xin Tang und David Staack einen Knallkrebs der Art Alpheus formosus. Mit einem Röntgentomografen scannten die beiden Wissenschaftler zunächst die exakte Struktur der Scheren. Diese Daten bildeten dann die Grundlage für ihren 3D-Druck. Das dreidimensionale Kunststoffmodell der Krebsscheren besteht aus einem Scherenfinger, der beim schnellen Zuklappen in eine genau passende Aushöhlung trifft. Das Wasser innerhalb der Schere wird daraufhin mit hohem Druck durch eine winzige Öffnung hinausgepresst – genau wie beim Original. Wegen der hohen Strömungsgeschwindigkeit verringert sich der statische Druck nach dem Gesetz von Bernoulli. Die Folge: Wasser verdampft und sammelt sich in einer Dampfblase. Da der Wasserdampf sehr schnell wieder kondensiert, fällt die Dampfblase schlagartig in sich zusammen – und es knallt. Durch diese Implosion heizt sich das Wasser in unmittelbarer Umgebung kurzfristig auf Temperaturen von mehreren Tausend Grad Celsius auf, wodurch Atome ionisiert werden. Es entstehen ein Plasma und ein extrem kurzer Lichtblitz. Diese sogenannte Sonolumineszenz kann bisher allerdings in seinen Details noch nicht vollständig erklärt werden.

„Wir konnten uns kaum vorstellen, dass sich mit diesem natürlichen Prozess ein derart heißes und Licht emittierendes Plasma erzeugen lässt“, sagt Staack. Nach seinen Abschätzungen sei diese Art der Plasmaerzeugung sogar effizienter als herkömmliche Methoden mit elektrischen Feldern. „Zudem wollen wir das Design der Krebsscheren an seine Grenzen bringen und untersuchen, wie groß die Scheren und das damit erzeugte Plasma generell werden können“, so Staack.