Ein Käfersensor erkennt Brände

Foto: IR-Organ des Käfers

Er ist unscheinbar: klein, schwarz und hart. Aber er hat eine Fähigkeit, die in der Natur so kein zweites Mal vorkommt. Alles, was er dafür braucht, klebt an seinem Kopf, nämlich zwei kleine Antennen. Mit denen kann der Schwarze Kiefernprachtkäfer die Infrarotstrahlung eines Waldbrands auf über 50 Kilometer Entfernung wahrnehmen. Das braucht er, damit seine Art überleben kann, denn wenn es irgendwo brennt, dann möchte das Insekt so schnell wie möglich dorthin. Die Weibchen legen ihre Eier in der verkohlten Rinde von Bäumen ab.

Dass der Käfer ein Sinnesorgan für Wärmestrahlung hat, das ist seit den 60er Jahren bekannt. Seit vielen Jahren beschäftigt sich auch der Zoologe Dr. Helmut Schmitz von der Universität Bonn mit der Mechanik, die dahinter steckt. Und der Forscher entdeckte Überraschendes: „Der Käfer kann die IR-Strahlen wahrnehmen, indem er keinen thermischen, sondern einen mechanischen Sensor benutzt.“

Und das sieht im Fühler so aus: Der fingerförmige Fortsatz eines einzelnen Mechanorezeptors ist in eine winzige Kugel eingebettet. 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. Bei auftreffender IR-Strahlung erwärmen sich die Kugel und Wasser und dehnen sich aus und so wird der Druckanstieg durch das Wasser auf den Mechanorezeptor übertragen.

 
 

Foto: Elektrodenstruktur des IR-Sensors

Als Schmitz Struktur und Funktionsweise des Fühlerinnenlebens entschlüsselt hatte, bastelte er ein Modell. „Das basiert nun auf einem mikrofluidischen Ansatz“, so Schmitz. „Der Käfersensor misst nicht die Temperatur an sich, sondern die Deformation einer Sensormembran.“ Mit seinem Modell wandte er sich vor drei Jahren an das Forschungszentrum caesar. Dort rechneten Dr. Michael Tewes und Dr. Markus Löhndorf nach, ob sich das Modell im Mikrometerbereich nachbauen lässt.

Das Ergebnis ist nun ein Siliziumwafer mit 100 Mikrometern im Durchschnitt mit Löchern, die die Hohlräume nachbilden. An der Oberfläche der Hohlräume wurden winzige Löcher gemacht. „Um das Signal, das Nervenenden fühlen würden, nachzuempfinden, haben wir zwei kleine Elektroden an jedem Loch angebracht. Wenn sich nun eine ionische Flüssigkeit im Innern der Kugel ausdehnt, dann werden die Elektroden durch das Nass zusammengeschlossen und ein Impuls entsteht.“

Anwendungen für den ungewöhnlichen Sensor sehen die Forscher in IR-Kameras im Haus, als bildgebenden Sensor in Nachtsichthilfen für Automobile oder als Feuerwarnsystem.

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