So setzt die NOAA in der Korallenforschung SLA- und SLS-3D-Drucker ein

Jeden Tag zeigen uns die Nachrichten mehr Belege des Klimawandels: Fotos schmelzender Polkappen, verkohlte Überreste einst tropischer Wälder und verdorrte Korallenriffe. Um den Effekten des Klimawandels entgegenzuwirken, bedienen sich Forscher*innen weltweit neuartiger und innovativer Technik. Ein Forschungsteam der National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) verlässt sich auf 3D-Druck, um maßgeschneiderte Teile für die Korallenriffforschung und -überwachung wiederholbar anzufertigen.  

Mit jeweils zwei SLA-Druckern (Stereolithografie) des Typs Form 2 und Form 3 sowie mit einem SLS-Drucker (selektives Lasersintern) des Typs Fuse 1 drucken Nate Formel und seine Kolleg*innen in NOAAs Atlantic Oceanographic and Meteorological Laboratory (AOML) widerstandsfähige Probesammelcontainer, Haltevorrichtungen für experimentelle Sensoren und Geräte sowie maßgefertigte Komponenten für die Aquarien vor Ort. Dort untersuchen sie die Gesundheit der Korallen und forschen nach Methoden, die Widerstandsfähigkeit der Korallen zu verbessern – gegen die extremen Bedingungen des Klimawandels und gegen die steigenden Wassertemperaturen.

Korallen sind Organismen und leben in Kolonien. Diese bestehen üblicherweise aus Tausenden oder Hunderttausenden von Polypen, welche wiederum einer komplexen Mischung aus Mikroorganismen als Zuhause dienen, die für ihre Gesundheit und Nahrung sorgen. Riffbildende Korallen sondern Calciumcarbonat ab, ein hartes, steinähnliches Material. Daraus entstehen Strukturen, die wir oft als Riffgerüst und als Lebensraum bezeichnen. Dieser Lebensraum und das gesamte von ihm ernährte Ökosystem des Riffs ist unglaublich wertvoll. Dort findet man die mit Abstand höchste Biodiversität der Meereswelt. Deshalb wird er auch oft als „Regenwald des Meeres“ bezeichnet. Aus menschlicher Perspektive bedeutet das millionenschwere Wirtschaftsanteile in Form von Fischfang und Tourismus aber auch den wichtigen Schutz der Küsten vor schmetternden Wellen und heftigen Stürmen.

Korallen sind entscheidend für den Erhalt des globalen Ökosystems und die weltweite Wirtschaft, doch lässt ihre eigene Gesundheit rapide nach. Eine in One Earth veröffentlichte Studie hat herausgefunden, dass sich die globale Korallenpopulation seit 1950 mehr als halbiert hat. Der Großteil der Faktoren für diese massiven Verluste der Korallenpopulation ist primär auf den Menschen zurückzuführen: Wasserverschmutzung, Zerstörung des Lebensraums sowie globale Erwärmung durch die Verwendung fossiler Brennstoffe, durch industrielle Tierhaltung und durch die Rodung der Wälder. 

Bei der Bekämpfung des Korallenschwindens verwenden die Wissenschaftler- und Forschungsteams der NOAA und ihrer Partnerinstitutionen innovativste Methoden, um die Korallen in der Wildnis zu überwachen, bestimmte Bedingungen kontrolliert im Labor zu simulieren und neue Korallenspezies zu züchten, die den extremen Bedingungen der heutigen Zeit besser standhalten. Das Korallenprogramm des AOML, bei dem auch Formel arbeitet, forscht in Partnerschaft mit der Universität Miami und deren Cooperative Institute for Marine and Atmospheric Studies (CIMAS). Gemeinsam setzt man dort sowohl bei der Feld- als auch bei der Laborforschung auf 3D-Druck. Der Einsatz von Formlabs-Druckern erleichtert dabei zweierlei: die Standardisierung der Experimente mit verbesserter Genauigkeit und Vergleichbarkeit und die Entwicklung neuer Technologien.

Zur Identifizierung der Charakteristika von Korallen, die in den neuen Extrembedingungen des Meeres gedeihen, suchen Formel und seine Kolleg*innen nach Korallen, die auch in den zu erwartenden Bedingungen eines saureren Ozeans überleben, wie etwa in der Nähe von Vulkanschloten. Dafür entwarf das Team einen SAS (Subsurface Automated Sampler, zu Deutsch etwa automatisierter Meeresbodenprobensammler), der Wasserproben an Korallenriffen entnimmt. So hofft das Team, das Ausmaß und die Wandlungen der Bedingungen im Lebensraum der Korallen zu verstehen. Das Design wurde frei zugänglich als Open Source zur Verfügung gestellt, damit auch Gruppen in anderen Teilen der Welt dieses Hilfsmittel nutzen können. 3D-Druck trugt in diesem Fall dazu bei, die Kosten des Probensammlers gering zu halten. So konnten mehrere Sammler gleichzeitig gebaut und eingesetzt werden, ganz ohne enorme Fördergelder zur Finanzierung. Die Automatisierung ermöglicht dabei die Synchronisierung der Probenentnahme. So verstehen die Wissenschaftler*innen besser, was genau zu unterschiedlichen Zeitpunkten oder an unterschiedlichen Orten passiert.

„Die Automatisierung der Probenentnahme war eine lohnende Idee, da dies unsere wissenschaftliche Grundlage verbessert und gleichzeitig unsere Arbeit erleichtert“, erklärt Formel. „Die Synchronisierung der Entnahmezeit zeigt uns genau, wie sich die Wasserchemie an den unterschiedlichen Standorten ändert.“

Dr. Ian Enochs, Leiter des Korallenprogramms im AOML, verfolgte den Ansatz dieser kostengünstigen Open-Source-Wasserprobensammler mit durchsichtigen Behältern aus wasserdichtem Acryl und Edelstahl. Dabei beliefen sich die Kosten fast auf 1000 USD pro Stück. Forschungslabore sind an knappe Budgets gebunden. Bei solchen kostenintensiven Materialien war es also unrealistisch, dass die erste Version des Sammlers weitreichend eingesetzt würde. Aber ohne Automatisierung mussten alle Proben von Hand genommen werden, was sich in erhöhter Einsatzzeit und in den Kosten niederschlägt. Zudem machte die manuelle Probenentnahme es schwierig, häufig, synchron oder auch bei Nacht Proben zu sammeln. Enochs und Formel setzten also auf 3D-Druck, um die Kosten zu senken und weitreichendere Datensätze zu sammeln. „Dank 3D-Druck konnten wir die komplexe Bandbreite unserer angestrebten Forschung umsetzen, und das zu einem Bruchteil der Kosten“, so Formel.

Das Korallenprogramm des AOML wählte zunächst die am weitesten verbreitete 3D-Drucktechnologie: einen Schmelzschichtungsdrucker (Fused Deposition Modeling, FDM) für den Desktop. Das Team fand sich aber schnell in einer Sackgasse wieder. FDM-Drucke sind nicht wasserdicht. Die Düse eines FDM-Druckers hinterlässt bei der Materialschichtung kleine Zwischenräume, durch die Wasser sickern kann. Das würde die empfindliche Elektronik im Inneren beschädigen und auch die Motoren. Als das Team dann aber von der SLA-Technologie erfuhr, startete es sofort mit einem Form 2 und später mit einem Form 3 durch. Wasserdichte Teile aus PVC-Rohren und 3D-Drucken ersetzten die teuren Acrylgehäuse der Anfangsversion.

Im experimentellen Rifflabor (ERL) am Meeresbiologie-Campus der Universität Miami arbeiten Formel und die andern Wissenschaftler*innen des Korallenprogramms mit mehreren identischen Aquarien, in denen verschiedene Riffbedingungen simuliert werden. Jedes Aquarium kontrolliert eine Reihe bestimmter Umweltvariablen, z. B. den pH-Wert, die Temperatur, Licht oder die Durchflussrate.

Wissenschaftliche Sensoren und Geräte in einer Salzwasserumgebung verlangen nach wasserdichten Gehäusen und robusten, verlässlichen Befestigungen, sonst kommt es zu Beschädigungen durch Wasserspritzer und korrodierende Salzluft. 

Der 3D-Druck wasserdichter Gehäuse und Baugruppen ermöglicht zusätzliche Automatisierung im Versuchsaufbau der Aquarien. Dank 3D-gedruckter Gehäuse am spritzwasserfesten Futtermechanismus wird die Fütterung der Korallen auch für die Nacht automatisiert. Das spart Arbeitsstunden und verbessert die zeitliche Koordination der Korallenfütterung. 

Eine weitere 3D-Kreation war das wasserdichte Gehäuse des Wasserumwälzers. Das Team wollte die Mischung des Wassers steuern, und zwar in einer geschlossenen Kammer im Inneren der Tanks. Wasserumwälzer gibt es viele, aber wasserdichte Umwälzer sind teuer. Anstatt diese zu kaufen, nutzte das Team den Motor eines Computerlüfters, der mit einem Kabel in einem wasserdichten Gehäuse aus dem Formlabs-Drucker verbunden wurde. Gesichert wurde das Ganze mit einem O-Ring und einer Abdeckplatte aus Acryl. Das Kabel wurde mit Epoxidharz versiegelt und so entsteht der wasserdichte Umwälzer aus Materialien für gerade einmal 30 USD. Dieser tauchfähige Wasserumwälzer wurde dann in ein neuartiges Open-Source-Inkubationskammersystem eingebaut, das die Gesundheit der Korallen in Sekundenschnelle beurteilt. Die Kosten bleiben gering und die Technologie zugänglich und gleichzeitig ist die Forschung standardisiert, mit optimierten Abläufen.

Obgleich SLA-Druck ideal für wasserdichte Teile war, waren die Druckteile immer noch nicht so robust, wie es das Korallenprogramm des AOML benötigte. Hinzu kommt, dass die Teile zeitaufwändig nachgehärtet werden müssen, damit sie sich für die Experimente mit Meeresorganismen eignen. Gesintertes Nylon hingegen war ein altbekanntes Material vieler im Handel erhältlicher Komponenten, da es bei Nylon keinerlei Bedenken der Auswirkung auf die untersuchten Organismen gibt und es gleichzeitig unglaublich robust ist.

Der erste Nylondruck des Teams war ein einfaches Gehäuse für die Aquariumexperimente, das die metallischen Schalter vor Korrosion schützt. Um die Festigkeit des Drucks zu testen, nahm Formel Hammer und Meißel und musste feststellen, dass sich das Druckteil aus dem Fuse 1 beeindruckenderweise nicht leicht zerbrechen ließ.

Formel sagte uns: „Es geht darum, dass wir so effektiv und effizient wie möglich arbeiten. Wir versuchen, unsere wissenschaftliche Arbeit zu vereinfachen, und die Nutzung [robusterer Werkzeuge] erleichtert kontrollierte, wiederholbare Experimente.“

Formel musste die Ausgaben für die Gerätschaften vor den Abteilungsleitern rechtfertigen. Der Fuse 1 erfüllte alle Kriterien dank seiner kleinen Stellfläche, des großen Druckvolumens und des erschwinglichen Preises. 

Die zukunftsweisenden Kosteneinsparungen durch die Packdichteoptimierung und die Neuzuführungsrate des Pulvers waren ein wichtiger Faktor der erschwinglichen Druckkosten des Fuse 1. Formel packt die Konstruktionskammer so dicht wie möglich, um sich auf die optimale Neuzuführungsrate von Nylon 12 Powder von 30 % abzustimmen. Das bedeutet, das nur 30 % des Druckvolumens frisches Pulver verwenden, während die anderen 70 % Pulver früherer Drucke wiederverwenden. 

„Wir mussten seit der Anschaffung des Geräts noch kein Material nachbestellen. Die Wiederverwertungsrate ist solch ein Gewinn und wir versuchen immer, die optimale Packdichte zu erreichen. Das wirkt sich direkt auf die niedrigen Pro-Teil-Kosten aus“, berichtet Formel.

Sowohl die Ergebnisse der Feldproben als auch die der Aquarien im Labor bieten eine Fülle an Daten, die den Wissenschaftler*innen mitteilen, wie die Korallen in Extrembedingungen überleben. Mit der Finanzierung des Korallenriffbewahrungsprogramms der NOAA macht die Arbeit des Korallenprogramms am AOML widerstandsfähigere Korallen ausfindig sowie deren Widerstandsmechanismen. Ziel ist es, so die Korallenriffe nachwachsen zu lassen, die doch solch ein wichtiger Bestandteil des marinen Ökosystems und der globalen Wirtschaft sind. Doch ein Labor allein kann das niemals bewältigen. Deshalb stellen Formel und sein Team alle Werkzeuge – einschließlich der 3D-Entwürfe und -Teile – als Open Source zur Verfügung. So wird das Wissen über die Methoden und Ergebnisse weitergegeben und das Bewusstsein gefördert. 

„Wir nennen das die ‚Demokratisierung der Wissenschaft‘. Wir möchten es allen erleichtern, dieselben Werkzeuge einzusetzen. Dabei sind diese Drucker wirklich eine große Hilfe. Das Potenzial neuer Schöpfungen, an die zuvor niemand gedacht hat, ist dank 3D-Druck stark angewachsen, weil er so erschwinglich und zugänglich ist. Vor diesem Projekt hatte ich mir noch nie ein Teil ausgedacht und jetzt mache ich das die ganze Zeit“, erläutert Formel.  

Um eben diesen Erfindungsgeist in jüngeren Generationen zu schüren, bringen die NOAA, das AOML und die Universität Miami Schüler*innen zwischen der 6. Klasse und dem Aufbaustudium in das Labor, wo sie eine Tour machen und etwas lernen. Diese zukünftigen Wissenschaftler*innen, Ingenieur*innen und Erfinder*innen erhalten einen ersten Eindruck der Möglichkeiten der 3D-Drucktechnologie und sehen mit eigenen Augen, wie die Wissenschaft des Klimaschutzes und des Wiederaufbaus funktioniert.

In Anbetracht des zunehmenden Klimawandels wird diese jüngere Generation neue Strategien und Techniken zur Bekämpfung der Auswirkungen entwickeln. So wie Formel das Erfinden neuer Werkzeuge mithilfe der Formlabs-Drucker in seine Arbeit integriert hat, müssen auch die Ingenieur*innen der Zukunft neue Dinge erstellen, an die bislang noch niemand gedacht hat. Dabei sind zugängliche, erschwingliche und benutzerfreundliche 3D-Drucker ein entscheidender Faktor. Die NOAA und das AOML haben sich der Weitergabe eben dieses Wissens verpflichtet, und genau dazu dienen diese Besuche.