<DENNE ARTIKEL SKAL OPDELES OG NIVEAU-DELES>

Naturens principper er ofte værd at efterligne

To-ventil-princippet hos bombardér-biller har givet inspiration til nye typer af trykventiler og væskespredningssystemer.

=============================

Efterligning af en billes sprøjt kan bruges til medicindosering og bedre brændstofforbrænding

Det er fascinerende, at en bombardér-bille, der sprøjter kogende, ætsende væske ud over sine fjender, har givet britiske forskere inspiration til at udvikle nye væskespredningssystemer og dermed et helt nyt teknologiområde kaldet mMist (mist er det engelske ord for tåge). Teknologien har potentiale til at blive platform for næste generation af mere effektive og miljøvenlige væskespredningssystemer uden de skadelige bærestoffer, som har været anvendt i årevis, og som giver store miljøproblemer. På det medicinske område vil det være af stor værdi at have et vandbaseret bæremiddel til at fremdrive lægemidler, f. eks. til inhalering af lægemidler. Til inhalering af et lægemiddel er det også vigtigt at kunne styre dråbestørrelsen og dermed doseringen.

Eksplosive bombardér-biller
Bombardér-billen er 2 cm lang og har et meget interessant forsvarssystem omfattende et reaktionskammer med en meget speciel udgangsdyse i bagenden. Reaktionskammeret er kun én millimeter stort og har form som et hjerte, hvor udgangsdysen sidder i hjertes spids. Ved en af reaktionskammerets øvre buer er der et reservoir med hydrogenperoxid og hydroquinon sammen med et stof, der hæmmer, at hydrogenperoxid og hydroquinon reagerer med hinanden. Hydroquinonen findes i en koncentration på 25% og hydrogenperoxid i en koncentration på 10 %. Reaktionskammeret har en tyk væg, hvori der findes celler, der udskiller enzymerne katalase og peroxidase. Når billen angribes og vil forsvare sig, lukker den op for reservoiret med kemikalierne og sender hydrogenperoxid og hydroquinon ind i reaktionskammeret, hvor de blandes med de to enzymer katalase og peroxidase.

Katalaseenzymet nedbryder hydrogenperoxid til vand og frit oxygen. Ved at bruge katalase til at nedbryde hydrogenperoxid, er aktiveringsenergien i reaktionskammeret lav, hvilket betyder, at reaktionen sættes i gang ved lav temperatur. Hydroquinon oxideres af peroxidase. Reaktionen kan samlet beskrives på følgende måde: C6H6O2 + H2O2 -> C6H4O2 + 2 H2O .

Der sker en meget hurtig reaktion, hvorved der dannes varme (exoterm reaktion), som opvarmer væsken i reaktionskammeret (hovedsagelig vand) til kogepunktet. Derved opstår et overtryk, der lukker for tilførsel af reaktanter fra reservoiret, og reaktionsvæsken presses bagud mod udgangsdysen. Foran udgangsdysen sidder en membran, der sørger for, at væsken ikke kommer ud før, der er opstået et vist tryk i reaktionskammeret. Med en knaldende lyd sprøjter billen den 100 grader varme, oxiderende væske ud af dens bagende mod fjender, der kan blive ramt op til en afstand af 20 cm. Sprøjtene sker ikke kontinuerligt, men i pulser på 500-1000 i sekundet. Ved at dreje bagkroppen kan bombardér-billen sigte i alle retninger. Hvis et angribende insekt rammes af væsken, kan det få dødelige konsekvenser for insektet, og desuden kan billen forsvinde bag en dis af kemikaliedråber. Den kemikalieholdige væske kan også være ret smertefuld for mennesker, hvis man får den på huden.
Bombardér-billerne tilhører løbebillefamilien (Carabidae), der inkluderer mere end 500 arter. Langt de fleste bombardér-biller findes i de varme dele af verden, såsom Afrika, Asien og Sydamerika. Der findes dog også nogle arter i England, og én af arterne findes i Danmark, nemlig ved Sose på det sydlige Bornholm.

Insektforsker fik en termodynamiker til at interessere sig for bombardér-biller
Insektforsker professor Tom Eisner fra Cornell universitet i USA havde iagttaget bombardér-billen og set, at væskeudladningen fra bombardér-billens bagende foregår meget specielt, nemlig som en serie af mini-eksplosioner, der danner en puls-jet. Dette gjorde Tom Eisner meget interesseret i billen, og han publicerede højhastighedsfotografier for at dokumentere billens fantastiske forsvarsmekanisme. Professor Andy McIntosh fra afdelingen for teoretisk termodynamik og forbrænding ved Leeds universitet så disse fotografier og blev interesseret i fænomenet. Professor McIntosh sammenlignede først billens forsvarsmekanisme med en trykkoger, der er styret af et kompliceret system af ventiler. Ingen havde tidligere studeret billen ud fra et ingeniørmæssigt perspektiv, men et forskerhold ved Leeds universitet bestående af professor McIntosh, ingeniør Novid Beheshi, PhD-studerende Andreas Prongidis og laborant Steve Caddick besluttede at studere bombardér-billens væskespredningsmekanisme i detaljer.

Forskernes beskrivelse af billens væskespredningssystem
Bombardér-billen bruger en muskel til at åbne forbindelsesventilen mellem kemikaliereservoiret og reaktionskammeret, hvorved hydrogenperoxid og hydroquinon tvinges ind i reaktionskammeret og kommer i kontakt med enzymerne katalase og peroxidase. Hydrogenperoxid og hydroquinon omsættes derefter som nævnt i en exoterm reaktion katalyseret af katalase og peroxidase, hvorved reaktionsvæsken opvarmes til mere end 100 grader (på grund af overtrykket). Den exoterme reaktion får trykket til at stige i reaktionskammeret. Forbindelsesventilen mellem kemikaliereservoiret og reaktionskammeret lukkes, og udgangsventilen fra reaktionskammeret åbner sig. Væsken presses med stor hastighed ud gennem udgangsventilen, hvorved trykket formindskes i reaktionskammeret. Udgangsventilen lukkes og en ny cyklus kan starte, hvis billen bruger sin muskel til at åbne forbindelsesventilen mellem kemikaliereservoiret og reaktionskammeret.

Minder om de tyske V1-raketter under 2. verdenskrig
Bombardér-billens forbrændingsteknik minder om den, som tyskerne anvendte i deres V1-raketter under anden verdenskrig, men billen opnår dog en langt højere pulseffektivitet end i V1-raketterne. Dette skyldes til dels, at reaktionskomponenterne fra kemikaliereservoiret og enzymerne blandes meget hurtigere, og til dels formen på reaktionskammeret og udgangsventilen.

Computersimulering
Det er ikke umiddelbart muligt at lave forsøg direkte på bombardér-biller på grund af det lille reaktionskammer og de små ventiler, så forskerne fra Leeds brugte computersimulering til at finde ud af, hvordan reaktionskammeret virker sammen med indgangsventilen fra kemikaliereservoiret og udgangsventilen i udgangsdysen. Computermodellen viser, hvad der sker fysisk under billens udladning, og at systemet kontrolleres af forbindelsesventilen fra kemikaliereservoiret til reaktionskammeret og udgangsventilen, idet de to ventiler åbner og lukker sig afhængig af trykket i systemet. Desuden kunne man vise, at diameteren af forbindelseskanalerne er meget vigtig for den fart, hvormed væsken skydes ud fra billens bagkrop. I en forsvarssituation er det vigtigt at kunne levere udladningen med den højst mulige fart. Når farten stiger, kan udladningen nå længere ud og den vil ramme fjenden hurtigere. Der er en optimal størrelse på dysediameteren og hastigheden, hvormed udladningen kan komme ud. Ved simuleringen blev den optimale diameter på udgangsdysen målt til 200 mm. Ved at scanne og måle på præparater fra bombardér-billen vcd hjælp af elektronmikroskopi blev diameteren på billens udgangsdyse opmålt til 200 mm (+/- 10 %). Forskerne viste således, at diameteren i billens udgangsdyse var tæt på det optimale design, og det styrkede selvfølgelig også tiltroen til computersimuleringen. Computersimulering er et hurtigt alternativ i forhold til kostbare eksperimenter, og på grundlag af computersimuleringen lykkedes det forskerne at skaffe finansiering til opbygning og afprøvning af de egentlige fysiske modeller.

Eksperimentel model
Opbygningen af den eksperimentelle model krævede forståelse af billens forsvarsmekanisme i alle detaljer. Når hydroquinon og hydrogenperoxid har fyldt reaktionskammeret bliver forbindelsen til kemikaliereservoiret afbrudt. Reaktionen finder sted med stor hastighed og trykket stiger, og nu kan reaktionsblandingen kun komme én vej ud, nemlig ved at presse på den membran, der dækker udgangsventilen. Det gik hurtigt op for forskerne, at det var dette to-ventilsystem, der var afgørende for funktionen af billens forsvarsmekanisme.

Efter detailstudier af billens teknik, byggede forskerne en model ud fra de samme principper. Dog var reaktionskammeret 2 cm, mod billens 1 mm store reaktionskammer. Modellen benyttede opvarmning og lynfordampningsteknik til at udskyde forskellige væsker fra reaktionskammeret, og man nåede op på 4 meter. Det giver samme forhold mellem reaktionskammerets størrelse og den afstand, væsken kan udskydes til, nemlig et forhold på i størrelsesordenen 200 gange. Diameteren af forbindelsesventilerne og udgangsventilen er vigtig for den fart, hvormed væsken skydes ud gennem udgangsventilen. Hos nogle bombardér-biller når farten af væsken, der skydes ud gennem udgangsventilen i bagkroppen, op på mere end 11 meter pr sekund.

Forskningsarbejdet ved Leeds universitet blev i starten støttet af Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) i England og senere af organisationen Biomimetics 3000 Ltd. Biomimetics er en filantropisk organisation, en såkaldt V2PIO (virtuel venture philanthropic intersectional organization), som støtter forskning i biomimetriske emner (inspiration fra naturen), indtil de er kommercielt levedygtige. Herefter bringes nye partnere på banen. Biomemetics blev grundlagt i Sverige i 2004 og har senere stiftet et datterselskab i England, ved navn Biomimetics 3000 Ltd.

Videreudvikling af princippet
Den fysiske model er blevet yderligere udviklet og danner baggrunden for en teknologi, som har fået navnet mMist-teknologien. Der kan dannes en tåge med dråber ned til mikro(m)-størrelse. Teknologien giver mulighed for en meget fin kontrol over dråbestørrelse, temperatur og hastigheden af de udsprøjtede væsker ved at efterligne toventilsprincippet fra bombardér-billen. mMist-teknologien er nu udviklet til et væskespredningssystem, hvor smådråberne kan varieres meget præcis med en størrelse fra 2 mm til 100 mm. Det er således muligt at opnå en meget præcis dosering. Der er også total kontrol over temperatur, udstødningsfrekvenser og udstødningshastigheder.

Anvendelsesmulighederne er talrige. Steder, hvor der kræves en meget kontrolleret tåge af en eller anden væske, er oplagte. Som eksempler kan nævnes oral indgivelse af lægemidler (inhalering), brændstofindsprøjtningssystemer og systemer til at undertrykke og slukke ildebrande.

Inden for brændstofforbrænding er der mulighed for at forøge forbrændingseffektiviteten, forbedre udnyttelsen af brændstoffet og formindske forureningen med udstødningsgas.

Kommerciel udnyttelse
Biomimetics 3000 Ltd har tegnet eksklusiv licens for hele verden til at udvikle mMist-teknologien. Der er indleveret patentansøgninger på potentielle anvendelsesmuligheder. Når teknologien er udviklet og klar til at blive kommercialiseret inddrages andre partnere i projekterne.

Kilder:

N. Beheshti og A.C. McIntosh, Int. Journal of Design & Nature, Vol 1, No 1 (2006) 1-9

Engineers learn from beetles. 18.September 2007 http://reporter.leeds.ac.uk/press_releases/current/beetle_design.htm

http://www.biomimetik.dk/bombarderbille 6. november 2007

European Industrial Pharmacy, issue 1, October 2008