3D-Druck in Korallenriffen und die Wiederherstellung der Artenvielfalt im Meer
Korallenriffe gehören zu den ältesten und artenreichsten Ökosystemen der Welt. Sie werden von Tausenden von Organismen, Korallen und Fischen bevölkert und sind ein wahrer Tempel der Artenvielfalt. Darüber hinaus sind sie in vielen Teilen der Welt die Lebensgrundlage für Hunderte von Millionen von Menschen in Form von Nahrungsmitteln und wirtschaftlichen Vorteilen. All dies ist heute jedoch ernsthaft bedroht, in erster Linie durch den Klimawandel, aber auch durch lokale Faktoren wie dem Fischfang, die Zerstörung von Lebensräumen und die zunehmende Verschmutzung. All dies ist heute jedoch ernsthaft bedroht, in erster Linie durch den Klimawandel, aber auch durch lokale Faktoren wie dem Fischfang, die Zerstörung von Lebensräumen und die zunehmende Umweltverschmutzung. Schätzungen zufolge könnten in den nächsten 30 Jahren mehr als 50 % der Korallen verloren gehen und das Übereinkommen über die biologische Vielfalt stuft Korallen als „hochgradig vom Aussterben bedroht“ ein. In den letzten Jahren werden die additive Fertigung und 3D-Technologien von Unternehmen, Institutionen, internationalen Organisationen und Forschungszentren eingesetzt, da sie eine konkrete Lösung für dieses Problem bieten. Durch den 3D-Druck von künstlichen Korallenriffen und den Einsatz von 3D-Drucktechnologien für den Erhalt der biologischen Vielfalt in den Ozeanen werden wichtige und ermutigende Ergebnisse erzielt. Wir haben hier einige der interessantesten Projekte der letzten Jahre aufgeführt, bei denen 3D-Technologien zur Erhaltung der biologischen Vielfalt im Meer eingesetzt wurden.
D-Shape und das Projekt zur Erhaltung der Bucht von Hongkong
Das italienische Unternehmen D-Shape wurde für sein speziell für die Bucht von Hongkong entwickeltes Riffdesign mit dem Design for Asia Award 2022 ausgezeichnet. Es handelte sich um die jüngste Umweltmaßnahme der Hongkonger Flughafenbehörde zum Schutz des umliegenden Meeresökosystems. Einhundert künstliche Riffeinheiten wurden aufgestellt, um die Vermehrung einer Gemeinschaft von Organismen wie Muscheln, Schwämmen und Algen zu fördern. Die ringförmigen Riffe mit Löchern unterschiedlichen Durchmessers wurden mit einem Material aus Steinbruchzuschlagstoffen und Zementbindemitteln 3D-gedruckt und zur Stabilisierung unter Wasser auf Bambusstrukturen platziert. Das 3D-gedruckte künstliche Riff wird somit Meeresorganismen beherbergen und das Ökosystem wiederherstellen können.
(Bild: DFA Design for Asia Awards/D-Shape)
Das größte 3D-gedruckte Korallenriff der Welt
Da 50% der Riffe in den letzten drei Jahrzehnten zugrunde gegangen sind, sind Maßnahmen gegen Bedrohungen wie Klimawandel, Überfischung und vom Menschen verursachte Schäden dringend erforderlich. Das australische Reef Design Lab hat mithilfe der 3D-Drucktechnologie einen bedeutenden Meilenstein erreicht, indem es auf den Malediven das größte künstliche Korallenriff der Welt im 3D-Druckverfahren hergestellt hat. Zu diesem Zweck wurden komplexe 3D-Formen erstellt, die die natürlichen Riffstrukturen nachahmen und anschließend in Keramik gegossen wurden, die dem Kalziumkarbonat in echten Riffen ähnelt. Diese Strukturen wurden untergetaucht und mit lebenden Korallen besiedelt, in der Erwartung, dass sie neues Meeresleben hervorbringen und als lebende Riffe gedeihen werden. Diese Verknüpfung von Technologie und Naturschutz ist ein vielversprechender Beitrag zum Schutz der Ozeane und zur Erhaltung der biologischen Vielfalt im Meer, da die Bemühungen fortgesetzt werden, diese unschätzbaren Ökosysteme für künftige Generationen zu erhalten.
3D-gedruckte Korallen für den Wachstum mikroskopisch kleiner Algen
Algen und Korallen pflegen eine enge symbiotische Beziehung – während die Koralle als Wirt für die Algen dient, erzeugen diese mit Photosynthese wiederum Zucker für die Korallen. Dank dieser Zusammenarbeit ist die Entwicklung des Korallenriffs möglich. Aus diesem Grund haben Forscher der Universität Cambridge und der University of California San Diego 3D-gedruckte Korallenstrukturen mithilfe des 3D-Bioprintings entwickelt, welche in der Lage sind, mikroskopisch kleine Algen wachsen zu lassen. Für den Druck der bionischen Korallen werden ausschließlich biokompatible Materialien verwendet, wobei eine Kombination aus Polymergelen und Hydrogelen angereichert mit Zellulose- Nanomaterialien für die Herstellung der Korallengewebe genutzt wird. Besonders vorteilhaft ist der schnelle 3D-Biodruck dadurch, dass die Forscher in der Lage sind, die Strukturen in nur wenigen Minuten herzustellen und die Zellen dementsprechend überleben.
Nahaufnahme der Mikroalgen in einem Maßstab von 10 μm (Bild: Bionic 3D printed corals/nature communications)
Wie SECORE Korallen aufzieht
Bei diesem Projekt haben sich die Unternehmen Boston Ceramics und Emerging Objects mit der Organisation für Umweltschutz SECORE (Sexual Coral Reproduction) zusammengetan, um sich auf die Fortpflanzungsgewohnheiten der Koralle zu fokussieren. SECORE sammelt dafür Eizellen und Spermien, die auf natürliche Weise von Korallen abgegeben werden und zieht sie anschließend in Tanks auf, bis sie sich zu schwimmfähigen Larven entwickeln. Diese werden anschließend in 3D-gedruckte Strukturen eingesetzt, welche die Korallen anlocken und sich so an ihnen festsetzen sollen. Sobald die Korallen festgewachsen sind, werden die Strukturen in wiederherzustellende Riffgebiete gepflanzt. Die Strukturen werden dabei aus einem keramischen Material von Boston Ceramics mit der Hilfe von Emerging Objects in 3D gedruckt.
WWF: 3D-gedruckte Riffe zur Wiederherstellung des Kabeljau- und Austernbestands
Der WWF setzt sich mit mehreren Projekten für die Aufrechterhaltung der Biodiversität ein. Die Energie-Firma Ørsted aus Dänemark und der WWF Dänemark haben so 2018 eine strategische Partnerschaft abgeschlossen und ein 3D-gedrucktes Riff in der Nordsee in Kattegat (zwischen Dänemark und Schweden) eingesetzt. Vorrangiges Ziel war es zu testen, wie die 3D-gedruckten Strukturen zur Biodiversität beitragen. Durch den Rückgang des Kabeljaubestandes kam die natürliche Lebensmittelkette aus der Balance. Das 3D-gedruckte Riff soll dafür sorgen, das ökologische Gleichgewicht wieder herzustellen. In Dänemark ist es das erste Projekt dieser Art, wenngleich der WWF bereits Erfahrungen mit 3D-gedruckten Riffs gemacht hat. In den Niederlanden hat der WWF Niederlande bereits ähnliche Projekte in die Wege geleitet. In Zusammenarbeit mit dem australischen Unternehmen Reef Design Lab und der italienischen Firma D-Shape wurden 3D-gedruckte Riff-Einheiten in der Nordsee platziert, um die Austernriffe wiederherzustellen. Die Einheiten wurden in Rotterdam gedruckt und bestehen zu 70% aus Sand und zu 30% aus Puzzolanzement. Insgesamt wurden rund 50 Riff-Einheiten zu 50×120 cm eingesetzt, die im Zuge der Forschung immer noch überwacht werden.
Seaboost: Riffstruktur für Taucher in Südfrankreich
Nach 3 Jahren Arbeit wurde 2022 bei der Insel Brescou bei Cap d’Agde in Südfrankreich ein 3D-gedrucktes, künstliches Riff-Dorf ins Mittelmeer platziert. Das zentrale Modul mit einer Höhe von 6,5 Metern und einer Fläche von 8×6 Metern befindet sich nun mit kleineren Nebenmodulen in 20 Metern Tiefe im Meeresschutzgebiet. Ziel des Projekts ist es, den Druck der ankernden Boote und der Tauchaktivität auf die empfindlichen Naturschutzgebiete zu verringern. Natürliche Korallenstandorte sollen so an diesem Standort geschützt werden, indem die Taucher diesen künstlichen Standort erkunden können. Das Projekt ist Teil des nationalen Reciflab-Programms und wurde von der Abteilung für Meeresumwelt der Stadt Agde durchgeführt. Ebenfalls ein Mitspracherecht hatten die Tauchclubs und maritimen Interessensgruppen der Region. Die Leitung übernahm dann das Unternehmen Seaboost Ecological Engineering in Zusammenarbeit mit Centrale Marseille. Für das Know-How im 3D-Druck wirkten auch Fachfirmen wie XtreeE und CyBe Construction am Projekt mit, indem sie die kohlestoffarmen 3D-Betonwände druckten. Im April 2022 wurde das Projekt mit dem dritten Teil vervollständigt.
(Bild: Seaboost, Aire Marine Protégée de la Côte Agathoise)
3D-gedruckte Roboter-Qualle
Im Zuge der Bemühungen um den Schutz der Meere gibt es immer mehr innovative Ansätze, um bedrohte marine Ökosysteme wie Korallenriffe zu schützen. Einer davon ist die Entwicklung von 3D-gedruckten Roboterquallen, den so genannten „Jellybots“, die von der University of Florida Atlantic und dem United States Naval Research Bureau entwickelt wurden. Diese aufwändig gestalteten Roboter ahmen die Bewegungen echter Quallen nach und können so in engen Räumen in Korallenriffen navigieren und Abfälle einsammeln, ohne Schaden anzurichten. Als Wächter der Ozeane sollen die Jellybots diese empfindlichen Lebensräume überwachen und schützen. Mit ihren hydraulischen Tentakeln, die von Impellerpumpen angetrieben werden, bewegen sich die Jellybots anmutig durch das Wasser und ahmen die wellenförmige Bewegung der Quallen nach. Im Zuge der Weiterentwicklung dieser Technologie wollen die Forscher diese Roboter mit Umweltsensoren und fortschrittlichen Navigationsalgorithmen ausstatten, um einen wichtigen Beitrag zur Meeresforschung und zum Schutz der Meere zu leisten.
(Bild: Erik Engeberg)
archiREEF: Sechseckige Terrakotta-Dachziegel werden in Hongkong gedruckt
Im Rahmen des archiREEF-Projekts zur Wiederherstellung der Korallen in den Gewässern von Hongkong werden sechseckige Strukturen aus Terrakotta (Ton) in 3D gedruckt, damit sich Korallen darauf ansiedeln können. Das Ziel ist nicht, sie zu ersetzen, sondern die Wiederaneignung der Orte durch die Arten zu fördern. Für die Herstellung wird hierbei Terrakotta verwendet, weil es sich um ein natürliches Material handelt. Es handelt sich um Bio-Mimikry. Die Herstellung erfolgte mithilfe eines Industrieroboters mit sechs Achsen in Kombination mit einem Tonextruder unter Verwendung der Methode des Direct Ink Writing (DIW). Die Dachziegel wurden dabei mithilfe eines Algorithmus entworfen. Diese Methode macht das Design der Dachziegel anpassungsfähig an verschiedene Umgebungen und Organismen, insbesondere an Mangroven und Austern. Die Initiatoren des archiREEF-Projekts wählten die additive Fertigung, da sie die Berücksichtigung standortspezifischer Parameter erleichtert und somit die Anpassung der Vorrichtung an alle Korallenarten der Welt fördert. Außerdem lassen sich mit ihm komplexere Formen herstellen als mit herkömmlichen Gusstechniken und dies bei gleichzeitiger Kosten- und Zeiteinsparung. Insbesondere deckt das archiREEF-Projekt die Schaffung kleiner Strukturen mit hochpräzisen Details ab, die nützlich sind, um die am meisten bedrohten Mikroorganismen zu beherbergen und so die biologische Vielfalt zu fördern.
(Bild: archiREEF)
3D-gedruckte Riffe in Dubai
Dubai steht wie viele andere Küstenstädte vor einer Reihe von Herausforderungen, die sich aus dem Klimawandel und dem Anstieg des Meeresspiegels ergeben. Daher arbeitet die Stadt zunehmend an der Wiederherstellung der Meere, um diesen Problemen zu begegnen, auch mit Riffen im Persischen Golf. Hier ist vor allem Dubai Reefs zu nennen, eine Initiative unter der Leitung von URB, das selbst ein wichtiger Akteur bei der Förderung nachhaltiger Städte ist. Mit dem Projekt sollen die Küstenökosysteme von Dubai verbessert werden, unter anderem durch die Schaffung eines 200 Quadratkilometer großen künstlichen Riffs. Dieses Riff wird im 3D-Druckverfahren hergestellt, um verschiedene Formen und Strukturen zu schaffen, die der natürlichen Umgebung am ehesten entsprechen. Das Bioprinting wird auch eingesetzt, um Biomaterialien zu entwickeln, die lebende Mikroalgen beherbergen können.
Rettung des Great Barrier Reefs mithilfe des 3D-Drucks
Das Great Barrier Reef, eines der sieben Naturwunder der Welt, ist eines der wichtigsten Reiseziele in Australien. Doch wie viele andere Riffe auf der ganzen Welt hat es in den letzten Jahren stark gelitten und ist durch steigende Meerestemperaturen, Überfischung und Verschmutzung ausgebleicht. Aus diesem Grund wird viel geforscht, um das ikonische Riff zu retten, unter anderem durch den Einsatz von 3D-Druck. Ein Projekt, das von der King Abdullah University of Science and Technology in Saudi-Arabien finanziert wird, nutzt das Bioprinting, um lebende Zellen auf 3D-Modelle zu übertragen und so neue, lebende Korallen zu erzeugen. Das Team verwendet dafür eine Silikonform, die mit einer umweltfreundlichen Kalziumkarbonat-Tinte hergestellt wird, auf der Korallen wachsen können, da sie eine dem Korallenskelett sehr ähnliche Oberfläche hat. Der Vorteil des Projekts besteht darin, dass es ein viel schnelleres Korallenwachstum ermöglicht als andere Methoden. Es wird außerdem weiter geforscht, um herauszufinden, ob der 3D-Unterwasserdruck in Zukunft für noch mehr Anwendungen eingesetzt werden kann.
(Bild: Anastasia Serin, König-Abdullah-Universität für Wissenschaft und Technologie)
Coastruction für den Schutz der Küsten
Die Schaffung künstlicher Riffe ist eine der wichtigsten Methoden, um der weltweiten Korallenzerstörung entgegenzuwirken. Coastruction ist dabei ein weiteres Unternehmen, das 3D-Druck und nachhaltige Materialien einsetzt, um 3D-gedruckte Riffe zu schaffen. Das Unternehmen unterscheidet sich besonders dadurch, dass es nur mit natürlichen Materialien druckt, die zu einer trockenen Pulvermischung verarbeitet werden. Der Druckkopf trägt selektiv Wasser als Aktivator für den entstehenden Mörtel auf, so dass feste Bereiche aus der Trockenmischung geformt werden können, ähnlich wie beim Binder Jetting. Das Unternehmen ist dann in der Lage, geometrisch komplexe organische Formen zu bauen, die von der Natur inspiriert wurden, um die neuen künstlichen Riffe optimal an die lokale Umgebung anzupassen. Das Team hat bereits Riffe in Sardinien und auf den Malediven angelegt.
(Bild: Coastruction)
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