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Samstag, 21.10.2017
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Käfer liefert Messtechnik

Neuartiger bionischer Sensor für Infrarot-Strahlung entwickelt

Ein bislang unbekanntes Messprinzip für infrarote Strahlung haben Wissenschaftler dem Schwarzen Kiefernprachtkäfer abgeschaut, der für seine Eiablage auf frisch verbranntes Holz angewiesen ist: Das Insekt nimmt die bei Bränden freiwerdende IR-Strahlung mithilfe feiner Sensoren an seiner Unterseite auf und kann so Waldbrände aus mehreren Dutzend Kilometern Entfernung entdecken. Die neuen bionischen Fühler wurden kürzlich zum Patent angemeldet und könnten wesentlich kostengünstiger sein als herkömmliche Sensoren.
Elektrodenstruktur des IR-Sensors

Elektrodenstruktur des IR-Sensors

Der Schwarze Kiefernprachtkäfer „fliegt“ sprichwörtlich auf verbranntes Holz: Unmittelbar nach Waldbränden laufen die Weibchen auf den Bäumen umher und legen in der verkohlten Rinde ihre Eier ab. Da viele andere Insektenarten eine frische Brandfläche meiden, können sich die Prachtkäfer-Larven dort weitgehend unbehelligt von Konkurrenz entwickeln. Ihren "Sinn für's Brenzlige" verdanken die erwachsenen Insekten einem pfiffigen Sinnesorgan auf ihrer Unterseite: Dort sitzen zahlreiche Sensoren, die für die Infrarot- ("IR") Strahlung eines Waldbrandes außerordentlich empfindlich sind.

"Interessanterweise handelt es sich bei diesen Infrarotfühlern um abgewandelte Mechanosensoren", erklärt der Bonner Zoologe Helmut Schmitz. "Das ist eine neuartige und elegante Messmethode für IR-Strahlung." Der fingerförmige Fortsatz eines einzelnen Mechanorezeptors ist in eine winzige Kugel aus "Kutikula" eingebettet - das ist das Material, aus dem auch der Insektenpanzer besteht. Im Inneren der Kugel befinden sich winzige wassergefüllte Hohlräume, die miteinander in Verbindung stehen. Der druckempfindliche "Finger" steckt mit seiner Spitze in einem dieser Hohlräume.

"Die Kutikula der Kugel und auch das darin befindliche Wasser absorbieren besonders gut Wärmestrahlung von etwa drei Mikrometern Wellenlänge - das ist genau die Strahlung, die typischerweise bei einem großen Waldbrand frei wird", sagt Schmitz. Bei auftreffender IR-Strahlung erwärmen sich daher Kutikula und Wasser und dehnen sich aus. Der resultierende Druckanstieg wird nun hauptsächlich durch das Wasser schnell und nahezu verlustfrei auf den Mechanorezeptor übertragen. Es handelt sich also um einen so genannten "mikrofluidischen" und "mikrohydraulischen" IR-Sensor. Da die Atmosphäre für Infrarotlicht in diesem Wellenlängenbereich durchlässig ist, können die Insekten potenzielle Brutplätze auf weite Distanzen wahrnehmen.


In Zusammenarbeit mit Michael Tewes und Markus Löhndorf vom Forschungszentrum caesar haben die Bonner Zoologen nun begonnen, das Prinzip des winzigen Käfersensors in die Technik zu übertragen. Im ersten Ansatz ist ein mikrofluidischer Sensor entstanden, in dem die Ausdehnung einer stark IR-absorbierenden Flüssigkeit gemessen wird. Im Computer ist dieser Sensor bereits fertig entwickelt und ein Patent wurde kürzlich angemeldet.
(Universität Bonn, 18.04.2006 - AHE)
 
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