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Eselspinguin mit spezieller Nano-Beschichtung an den vorderen Flügelkanten.

Die Pinguine der Antarktis leben unter sehr harten Bedingungen: Bei Temperaturen von bis zu – 40 °C und Windgeschwindigkeiten von bis zu 40 Meter/Sekunde. Das „Chilling“ des Windes reißt das letzte Bisschen Wärme von der Körperoberfläche, die empfundene Temperatur ist also noch viel niedriger. Vogelfedern sind zwar eine gute Wärmeisolierung, aber diese extremen Temperaturen brauchen schon eine Spezial-Federausrüstung.
Pinguinküken sind allerliebst fluffig, erwachsene Pinguine hingegen haben Federn, die eher wie ein Neopren-Anzug aussehen. Sonst würde das mit dem Schwimmen und Tauchen ja auch nicht so perfekt klappen. Die einzelnen Federn sind klein, sehr schmal und eng anliegend. An den Flügeln sind die Federn extrem stabil und noch kleiner, wegen der speziellen hydrodynamischen Anpassungen.

Der Maschinenbau-Ingenieur Pirouz Kavehpour der University of California (Los Angeles) hat sich die Federn von Eselspinguinen genauer angesehen.
Eselspinguine leben auf den sub-antarktischen Inseln und der Antarktischen Halbinsel, ihren Namen verdanken sie ihrem Balzruf, einem eselsartigen Geschrei. Mit 75 bis 90 Zentimeter Größe sind sie recht groß. Sie sind eng mit den Adélies verwandt und mit bis zu 27 km/h die schnellsten Schwimmer der Antarktis.

Der Maschinenbau-Professor und seine Kollegen haben den Aufbau der Eselspinguin-Federn unter dem Rasterelektronen-Mikroskop studiert: Die raue Oberfläche der Federn ist voller Nano-Poren. Diese Poren sind mit Luft gefüllt und wirken hydrophob. So perlen Wassertropfen an der rauen Oberfläche sehr schnell ab, bevor sie daran festfrieren können. Außerdem fetten die Pinguine ihr Gefieder mit Ölen aus der Bürzeldrüse, damit das Wasser am Gefieder abperlt. Den Bürzeldrüsenextrakt verteilen sie mit dem Schnabel am Körper, das lässt sich bei allen Vögeln beobachten. Der Vogel reibt den Schnabel in der Drüse über dem Schwanzansatz und geht dann damit durch das Gefieder – pedantisch zieht er jede Feder einzeln durch den Schnabel. Das Drüsenöl enthält übrigens auch Bakterizide und andere Inhaltsstoffe, um die Federn vor Bakterien- und Parasitenbefall zu schützen. Öl enthält es vor allem bei Vögeln, die im und auf dem Wasser leben.

Der Magellan-Pinguin, der in Südamerika in etwas wärmeren Gewässern lebt, hat keine Nano-Poren als Vereisungsschutz und sein Drüsensekret enthält auch viel weniger Öl. Die Besonderheiten des Eselspinguins sind also sehr sicher ein Schutz gegen die extreme Kälte.
Im November hatte Kavehpour bei der American Physical Society Division of Fluid Dynamics-Tagung in Boston, Mass. diese Ergebnisse vorgestellt. Und erklärt, was sie mit Flugzeugen zu tun haben: Das Verhindern von Eisbildung an den Flügeln ist für den Flugzeugbau ausgesprochen interessant. Denn: Eis auf den Tragflächen und dem Ruder kann die aerodynamischen Eigenscahften eines Flugzeugs signifikant verändern, in extremen Fällen kann es sogar zum Absturz führen. Momentan müssen Fluglinien viel Zeit und Geld dafür aufwenden, chemische Entseiser einzusetzen, damit Flugzeuge auch im Winter sicher fliegen können. Eine hydrophobe Oberfläche nach dem Vorbild des Pinguinflügels könnte eine wesentlich günstigere und auch umweltfreundichere Lösung sein.

Übrigens: Die Vorderkanten von Vogelschwingen und Wasserwesen (Fische, Haie, Ichthyosaurier, Wale) sind für Strömungsdynamiker ausgesprochen interessant. Sowohl im Wasser als auch in der Luft – Hydrodynamiker und Aerodynamiker könenn von solchen perfekten Systemen, die sich auch noch stetig selbst erneuern, nur träumen.

 

Kommentare (11)

  1. #1 Fliegenschubser
    29. Januar 2016

    Die Woche der Pinguine hier im Blog 🙂
    Vielen Dank für die Artikel, hab viele interessante Dinge gelernt.

  2. #2 user unknown
    https://demystifikation.wordpress.com/2015/12/22/xubuntumenue/
    30. Januar 2016

    Die raue Oberfläche der Federn ist voller Nana-Poren

    Wenn das mal keine Nanu-Poren sind!

    • #3 Bettina Wurche
      30. Januar 2016

      @hirnstrom: Nanu- Nana? Nano!
      Noch ein Pinguin-Comic – wie knuffig!

  3. #4 Ingo
    30. Januar 2016

    Wenn ich das richtig verstanden habe sind die Federn voller Luft-Poren, werden aber gleichzeitig mit Oel eingerieben.
    Mein Verstaendnissproblem: Warum verschliesst das Oel nicht die Poren und macht damit den Effekt zunichte?

    • #5 Bettina Wurche
      30. Januar 2016

      @Ingo: Ich stelle mir vor, dass der Ölfilm die luftgefüllten Poren verschließt. Sonst besteht die Gefahr, dass die Luft im Wasser aus den Poren entweicht, wie die restlichen Luftblasen aus dem Gefieder. Der Pinguin zieht beim Schwimmen Blasen hinter sich her.

  4. #6 Anderer Michael
    31. Januar 2016

    Theoretisch gefragt und Analogie zum Eisbären.
    Der Eisbär hat weißes Fell, aber schwarze Haut, die Haare seines Fell sind hohl. Die hohlen Haare erhöhen den Auftrieb und leiten Sonnenlicht zur Haut um Wärme zu “tanken”.
    Der Effekt des Abperlen von Wasser auf Oberflächen ist auch als Lotusblüteneffekt bekannt. Die hydrophobe Eigenschaft wird dadurch erreicht,dass viele kleine Erhebungen den Winkel des Wassertropfen zur Oberfläche erhöhen,( je höher desto hydrophober so ab 150 Grad, Hydrophilie optimal bei 30Grad)indem die Luft zwischen den Erhebungen den Wassertropfen an Rändern “hochhebt” und quasi abrundet.Der hydrophobe Aspekt des Wasservogelgefieders ist durch seine Struktur bedingt,desgleichen lagert diese auch mehr Luft im Gefieder ein (zur Wärmeisolierung).
    Die Bürzeldrüse und ihr Sekret hat kaum einen Einfluss auf die Hydrophobie.
    Meine Frage: Könnten die Nanoporen auch eher einen wärmespeichernden Effekt haben, entweder wie bei Eisbären oder durch Luft als Isolierung.? Die Hydrophobie ist in dem Fall einzig durch die Struktur des Gefieders bedingt.

    • #7 Bettina Wurche
      31. Januar 2016

      @Anderer Michael: Normalerweise hat das Bürzeldrüsensekret kaum hydrophoben Eigenschaften, das ist richtig.
      https://elib.tiho-hannover.de/dissertations/schickes_ws12.pdf
      Aber: Wissen wir das vom Pinguin auch sicher? Und woher sollte sonst der in der Publikation beschriebene Ölfilm kommen?
      Ob die Nanoporen und ihr Lufteinschluß isolierende Eigenschaften haben, hat noch niemand überprüft. Denkbar ist es auf jeden Fall.

  5. #8 Anderer Michael
    1. Februar 2016

    Ich bin kein Biologe, das war nur eine Überlegung von mir. In der von Ihnen angegebenen Literatur liest man gleich auf den ersten Seiten etwas über die Bürzeldrüse, und weiter hinten auch etwas über das Pinguingefieder, insgesamt ungefähr so, wie ich es beschrieben habe. Sie haben aber recht mit Ihrer Gegenfrage, was es genau mit dem Öl der Eselspinguine auf sich hat. Die Autoren beschreiben die genaue Funktion und die Zusammensetzung in ihrem Abstract nicht.
    Unabhängig davon, es ist wirklich interessant, sich auf den Seiten der APS umzusehen. Daher Danke für diese Anregung.
    Ich hoffe, ich erwecke mit meinen etwas altschlauen Bemerkungen nicht Ihren Unmut. Ich lese Ihre Blogbeiträge wirklich gerne.

    • #9 Bettina Wurche
      1. Februar 2016

      @Anderer Michael: Ich freue mich über Kommentare und Fragen, für mich gehört dieser Austausch unbedingt dazu : )
      Jetzt habe ich gerade noch mal im Pinguin-Buch von Culik und Wilson nachgesehen: Auch die beiden beschreiben das Bürzeldrüsensekret der Pinguine als Wachs-Öl-Mischung mit Antifowling und hydrophoben Eigenschaften. Leider ohne Quellenangabe

  6. #10 hampel
    4. Februar 2016

    Die englische Wikipedia hat noch eine andere Theorie parat, leider auch ohne Quellenangaben. .

    “The uropygial gland is strongly developed in many waterbirds, such as ducks, petrels, pelicans and in the osprey and the oilbird. It appears that the waterproofing effect is not primarily by the uropygiols – although they are hydrophobic – but by applying an electrostatic charge to the oiled feather through the mechanical action of preening.”

    Vielen Dank für die interessanten Artikel!

    • #11 Bettina Wurche
      4. Februar 2016

      @hampel: Danke für die Ergänzung!