Wie werden wir vorgehen, wenn die globale Erwärmung katastrophale Überschwemmungen verursacht, die bis zum Ende des Jahrhunderts die meisten städtischen Küstengebiete der Welt überfluten? Die Antwort des Biomimikry-Designers und Materialwissenschaftlers Jun Kamei vom Royal College of Art ist Amphibio – eine Art leichte 3D-gedruckte Weste aus einem Polymer, die sowohl als künstliche Kiemen als auch als Atemreservoir fungiert und es den Menschen ermöglicht, sich in den überfluteten Megastädten aufzuhalten.
Amphibio wurde in Zusammenarbeit mit dem RCA-IIS Tokyo Design Lab entwickelt und ist Kameis Lösung für eine Zukunft im Jahr 2100, wenn die globale Erwärmung die Eiskappen geschmolzen hat und die steigenden Ozeane 30 % der Weltbevölkerung betreffen. Die intuitive Reaktion auf eine solche Katastrophe könnte darin bestehen, ins Landesinnere zu ziehen, aber Kamei glaubt, dass eine bessere Idee darin bestünde, einen halb-aquatischen Lebensstil anzunehmen, indem man etwas wie die künstlichen Kiemen von Amphibio verwendet.
Amphibio befindet sich noch im Konzeptstadium und ist eine biomimetische künstliche Kieme, die auf tauchenden Spinnen und Insekten basiert, die eine superhydrophobe Hautoberfläche haben, die es ihnen ermöglicht, eine Luftblase um ihren Körper zu sammeln. Diese Blasen wirken wie Kiemen, die den im umgebenden Wasser gelösten Sauerstoff einlassen und Kohlendioxid abgeben.
Amphibio verwendet das gleiche Prinzip mit einem speziellen und nicht näher spezifizierten porösen hydrophoben Material, das sich für den 3D-Druck eignet, um eine Art gewellte Weste zu schaffen, die aus einer Reihe von Luftblasen besteht, die in eine Maske münden, die Nase und Mund bedeckt. Kamei beschreibt Amphibio als eine Zwischenstufe zwischen Freitauchen und Gerätetauchen, die es Tauchern ermöglicht, mit leichterer Ausrüstung länger unter Wasser zu bleiben.
Bislang hat Kamei Labortests mit einer Testblase durchgeführt, die mit Kohlendioxid gefüllt und in einem Tank aufgehängt war, um ihre Fähigkeit zur Sauerstoffaufnahme zu demonstrieren. Er gibt zu, dass das Design noch einen weiten Weg vor sich hat, da die Oberfläche zu klein ist und mindestens 32 m² groß sein muss, um genug Sauerstoff für eine Person zu sammeln.
Auch wenn Kamei die technische Seite von Amphibio anerkennt, ist die Technologie noch weit davon entfernt, realisierbar oder gar praktisch zu sein. Die Idee einer künstlichen Kieme ist Mainstream, seit der Unterwasserpionier Kapitän Jacques Cousteau 1962 erklärte, die Zukunft der Meeresforschung liege in der Erschaffung von „Menschenfischen“, die Wasser atmen können. Das Problem ist, dass zwischen der Idee und der Realität eine sehr große Kluft besteht.
Seit den ersten Experimenten, bei denen halbdurchlässige Kunststoffmembranen verwendet wurden, um Sauerstoff aus dem Wasser zu gewinnen, wurden die Hürden für die praktische Umsetzung dieser Idee schnell größer. Zunächst sah die Technologie wie ein Gewinner aus, als die Forscher Hamster in Membranboxen in Fischbecken setzten, aber es ist viel schwieriger, etwas herzustellen, das die gleiche Funktion wie die Kiemen eines Fisches hat.
Wenn man sich eine Liste von Meerestieren anschaut, wird man feststellen, dass keines der Meeressäugetiere Kiemen hat. Dafür gibt es eine Reihe von Gründen, aber einer der wichtigsten ist, dass Säugetiere einen sehr hohen Stoffwechsel haben, für den sie viel Sauerstoff benötigen. Wenn man einen Liter Luft nimmt, enthält er 200 ml Sauerstoff. Bei Wasser sind es jedoch nur 5 bis 10 ml Sauerstoff pro Liter. Für kaltblütige Fische ist das in Ordnung, aber eine künstliche Kieme, die von einem Menschen getragen wird, muss 10- bis 20-mal mehr Wasser als Luft verarbeiten, also 100 Liter pro Minute bei 100 Prozent Effizienz, um den Taucher am Leben zu erhalten.
Das bedeutet, dass eine Reihe von Dingen erforderlich sind. Zum einen ist eine sehr große Oberfläche erforderlich, vergleichbar mit den 50 bis 75 m² der menschlichen Lunge, und zum anderen ist ein großer Wasserdurchfluss erforderlich. Deshalb waren frühe Entwürfe künstlicher Kiemen mit stark gewellten Membranen ausgestattet, die in große Rucksäcke mit Batterien, Lufttanks und massiven Laufrädern gesteckt wurden, um Wasser durch das Gerät zu drücken.
Damit enden die Probleme nicht. Wenn Sauerstoff und Kohlendioxid ein künstliches Kiemenmaterial durchdringen können, dann können das auch neutrale Gase. Die Kiemen können zwar Sauerstoff aus dem Wasser aufnehmen, aber keinen Stickstoff, so dass der Stickstoff in der Lunge des Tauchers, der 78 Prozent ausmacht, schnell entweicht, die Schläuche kollabieren und die Atemmaske mit Wasser überflutet wird. Das wäre bei Amphibio noch schlimmer, weil die Luftschicht, die von der hydrophoben Oberfläche eingeschlossen wird, reduziert wird und bald verschwindet, wenn der Stickstoff in das umgebende Wasser diffundiert.
Das Gleiche gilt für den Druck. Künstliche Kiemen funktionieren am besten in sehr flachem Wasser. Wenn der Taucher mehr als ein paar Meter abtaucht, lässt der Wasserdruck die Schläuche und Blasen kollabieren, und die Gesichtsmaske wird überflutet. Beim Tauchen gibt es dieses Problem nicht, weil es so konzipiert ist, dass es automatisch durch einen Atemregler ausgeglichen wird, der Luft mit dem Umgebungsdruck für eine bestimmte Tiefe liefert.
Das alles entkräftet nicht die Idee hinter Amphibio, aber es ist noch viel Arbeit auf einer sehr grundlegenden Ebene nötig, um es praktisch zu machen. Wenn es jemals auf den Markt kommt, könnte es schön sein, in einer überfluteten Kathedrale zu tauchen. Allerdings würden wir eine Maske, Schwimmflossen, einen Gewichtsgürtel und Schwimmflossen anstelle eines durchsichtigen Kleides für diesen Anlass empfehlen.
Das Video unten zeigt den Tank-Test einer Amphibio-Blase.