Bio gegen Technik: Der Quarks & Co-Motortest

Was haben ein  U-Boot  und ein begeißeltes Bakterium gemeinsam? In Größe und Gewicht könnten sie kaum unterschiedlicher sein: Ein riesiger Stahlkoloss und ein kleines einzelliges Wesen, das mit bloßem Auge gar nicht sichtbar ist. Und doch bahnen sich beide ihren Weg nach dem gleichen Prinzip, mit Hilfe eines rotierenden Motors.

Große Maschine, kleiner Wirkungsgrad

Nur 40 % Wirkungsgrad: ein U-Boot Motor.

Das  U-Boot, von Menschenhand gebaut, wird im klassischen Fall von einem kombinierten Diesel/Elektromotor angetrieben. Die Geschwindigkeit eines U-Boots liegt zwischen 12 und 20 Knoten (1 Knoten = 1,852  km/ h) – pro Sekunde bewegt sich das U-Boot also nur zehn Meter weit. Bei der Umwandlung des Treibstoffs in die Fortbewegung des U-Bootes gehen etwa sechzig Prozent der Ausgangsenergie verloren: Man spricht von einem Wirkungsgrad des Motors von vierzig Prozent. Außerdem nehmen die verschiedenen Motorteile viel Raum und Gewicht im Innern des U-Bootes ein, und das U-Boot ist nicht unabhängig – in regelmäßigen Abständen muss es an die Wasseroberfläche, um neuen Treibstoff zu tanken.

Geschickte Bakterien

Bakterium mit Geißel. Ein Antrieb von dem Wissenschaftler träumen.

Vorbild Natur: Bakterium mit Geißel Die Natur hingegen hat das Bakterium mit einem Motor ausgestattet, von dem Ingenieure träumen. Die lange, dünne Geißel, die das Bakterium als Propeller antreibt, ist in die äußere Verkleidung des Bakteriums eingesenkt und nimmt im Innenraum kaum Platz weg. Der Kraftstoff für den Motorantrieb wird in der Zelle selbst hergestellt und ist vollständig biologisch abbaubar – ebenso wie das Bakterium selbst.

Und der Bakterienmotor ist äußerst effektiv: Forscher gehen davon aus, dass beim Antrieb der Bakteriengeißel kaum Energieverluste auftreten - die zelleigene Energie wird fast vollständig in Bewegungsenergie umgesetzt. Das Bakterium legt damit pro Sekunde einen Strecke von etwa 20 eigenen Längen zurück – das ist im Verhältnis fünfzig Mal schneller als ein U-Boot!

Ein Zwitterwesen aus U-Boot und Bakterium?

Eine ATPase (ein Protein) funktioniert ganz ähnlich wie der Geißelmotor.

Ein Gefährt zu schaffen, das von einem biologischen Motor angetrieben wird, ist keine Utopie mehr: Gerade haben sich Forscher der Cornell-University in den  USA an einer solchen Konstruktion versucht. Allerdings verwendeten sie nicht den Original-Motor eines begeißelten Bakteriums. Sie nahmen ein Protein, eine ATPase, die ganz ähnlich funktioniert wie der Geißelmotor. Sie ist nur noch zehn Mal kleiner, fünf Nanometer im Durchmesser.

Mit einem künstlichen Rotorblatt versehen, könnte ein idealer Biomotor für Nanomaschinen entstehen.

An die sich drehenden Elemente befestigten sie ein künstliches Rotorblatt aus Nickel und tauchten das Ganze in eine Lösung mit Zellkraftstoff. Zwar drehten sich von 400 "Biomotoren" nur fünf, trotzdem glauben die Forscher, einen idealen Antrieb für Nanomaschinen gefunden zu haben. Die ATPase-Motoren könnten beispielsweise kleine Kugeln im Körper herumtransportieren, die mit Medikamenten gefüllt sind.