Rochen inspirieren gleich zu zwei bionischen Erfindungen: einem autonomen Unterwasser-Roboter, der Ertrinkende rettet, und einem selbstreinigenden Filtersystem für Plastikmüll.

Mantarochen gleiten leise und friedlich durch das Blau tropischer Gewässer rund um den Globus. Ihr Stachel ist nicht giftig, ihre Kopfflossen, die an Hörner erinnern, nicht teuflisch. Dennoch werden sie Teufelsrochen genannt und kämpfen um ihr Leben. Sie sterben meist als Beifang und stehen auf der roten Liste gefährdeter Tierarten.

Mit eleganten Flügelschlägen schweben sie durch die Meere, verschlingen Plankton und nehmen Anhalter mit: Schiffshalter-Fische docken mit ihren Köpfen an und reinigen den stromlinienförmigen, bis zu sieben Metern großen Korpus der Mantas. Dieser dient Forscher:innen des Fraunhofer-Instituts für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung (IOSB) als Vorlage für einen autonomen Roboter. Er soll Menschen vor dem Ertrinken retten, indem er sie schnell und sicher an die Wasseroberfläche zieht und zur Küste oder zum Beckenrand bringt, wo sie versorgt werden können. Warum ausgerechnet die Körperform des Mantarochens? Eine Frage der Effizienz, sagt Martin Käßler vom Fraunhofer IOSB, denn „mit dieser Form kommen wir sehr schnell und energiesparend zum Menschen. Die Kopf- und Seitenflügel dienen dann gleichzeitig zur Fixierung der Person, um ein Abrutschen beim Retten zu verhindern“.

Der Robo-Bademeister verlässt seine Ladestation unter Wasser, sobald er gebraucht wird. Entsprechende Signale erhält er von Überwachungskameras in Schwimmbädern oder Drohnen über Badeseen, die Menschen in Not an ihrer Haltung erkennen. Mit sieben Kilometern pro Stunde soll er dank optischer oder akustischer Sensoren an sein Ziel kommen. Die Rettungsaktion darf nur vier Minuten dauern, danach wird der Sauerstoffmangel für Schwimmer:innen lebensgefährlich. Bei ersten Praxistests im Dezember 2020 schloss der Tech-Rochen seine Einsätze nach nur zwei Minuten erfolgreich ab. Noch hat er aber wenig mit den geschmeidigen Meerestieren gemein: Er ist ein kastenförmiges Modell aus Rohren, Luftkissen und Kabeln, die Fertigstellung wird noch etwa zwei Jahre dauern. 

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Mantarochen sind nicht nur optisch spannende Tiere, sie haben auch einige Eigenschaften, die Forscher:innen zu technischen Innovation inspiriert haben.
Grafik: Iconographia Zoologica / Eva Leonhard

Smarter Schlund

Ebenfalls in der Entwicklung steckt ein Manta-inspiriertes Filtersystem. In den Kiemen trennen Riesenmantas Meerwasser von Plankton und kleinen Krebsen. Einmal im Schlund, sitzt ihre Beute in der Falle. Die Gitterstäbe: längliche, parallel angeordnete Filterlappen mit Poren, die eigentlich so weit sind, dass die Häppchen locker entkommen können müssten. Das machte Wissenschaftler:innen um Erin Paig-Tran von der California State University neugierig. Sie bauten die sogenannte Kiemenreuse im Labor per 3D-Drucker nach und fanden heraus, dass es Festkörper zwar hinein, aber nicht wieder hinaus schaffen. Das Wasser strömt problemlos an den Kanten der Filterlappen vorbei, doch die Tierchen bleiben hängen („Ricochet“-Trennverfahren). Verstopfungen kommen nicht vor. Dafür sorgt der rasante Wasserstrom von sechzig Zentimetern pro Sekunde im Maul des Mantas, durch den sich eine Art Strudel in den Poren bildet. Die Poren müssen also nicht kleiner sein als die Löcher bei klassischen Sieben. 

Der geniale Filterapparat des Mantarochens schützt ihn leider nicht davor, Plastik zu verschlucken, dessen toxische Substanzen sich vermutlich auf das Wachstum und die Reproduktion der Tiere auswirken. Laut einer Untersuchung in den Gewässern um Indonesien von 2019 fressen Mantarochen rund 63 Plastikstückchen pro Stunde. Die tragische Ironie: Ihre Kiemenreuse inspiriert Menschen also dazu, ein System zu entwickeln, das genau die Stoffe aus dem Meer filtert, mit denen sie die Tiere vergiften.

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Der „Ricochet“-Mechanismus könnte nämlich das Herausfiltern von Mikroplastik erleichtern. Dies ist dem Meeresbiologen James Strother zufolge, der an der Ricochet-Studie mitwirkte, „eine große technische Herausforderung, und die hohen Durchflussraten und die Resistenz gegen Verstopfungen, die wir bei Mantarochen-Filtern beobachtet haben, könnten wirklich von Vorteil sein“. Entsprechende Filtersysteme ließen sich auf See anwenden und direkt in Industrieanlagen installieren, um zu verhindern, dass Mikroplastik und -fasern über Abwässer überhaupt ins Meer gelangen. Biologin Paig-Tran und ihr Team warten aktuell auf die Erteilung des US-Patents für den Manta-Filter. In der Zwischenzeit entwickelten Student:innen in den Niederlanden und Taiwan Prototypen, etwa das „Floating Coconet“ für die Reinigung von Flüssen. Runde Module, die Sanduhren ähneln.