Mistige oplossing


Foto: Thomas Eisner

(Extra materiaal behorende bij de QR code uit de krant na de columntekst)

Uit deze columnreeks zal inmiddels duidelijk zijn dat de natuur voor de meest uiteenlopende (technische) vraagstukken al lang slimme oplossingen heeft gevonden. Ook chemische oorlogvoering bestond al lang voordat de mens dat aan zijn moordlustige arsenaal toevoegde. Denk aan het gif van spinnen, slangen en schorpioenen of de geur van het stinkdier. Maar wat niet echt voor de hand ligt zijn dieren die explosies genereren. Hoe overleven ze dat? Toch bestaan ze, en ze blazen zichzelf bovendien niet op.

Bombardeerkevers bedienen zich van de overtreffende trap van dierlijke chemische oorlogvoering: ze bestoken hun belagers met een explosieve en bijtende spray. In zijn achterlijf heeft het insect twee speciaal voor dit doel aangepaste klieren. Elke klier bestaat uit een reservoir en een reactiekamer, gescheiden door een klep. Het reservoir bevat een waterige oplossing van waterstofperoxide en organische stoffen.

Als de kever zich bedreigd voelt, trekt hij de spieren van het reservoir samen en openen andere spieren de klep. Hierdoor wordt een kleine druppel uit het reservoir in de reactiekamer geperst. Daar zorgen enzymen (katalysatoren) voor een heftige reactie waarbij veel warmte vrijkomt en de temperatuur oploopt tot bijna 100 °C. Ook ondervindt de druppel in de reactiekamer een lagere druk dan in het reservoir. De combinatie van lage druk (onderdruk) en hoge temperatuur zorgt ervoor dat een deel van de vloeistof in een oogwenk explosief verdampt waarbij schadelijke gassen ontstaan. Door de explosie verlaat het resulterende mengsel de kever met een hoorbare plof via een ‘uitlaat’ in zijn achterste.

De bombardeerkever kan deze micro-explosies met hoge snelheid herhalen totdat de reservoirs leeg zijn en produceert zo een stinkende en bijtende ‘mist’. Dat is meer dan genoeg om iedere belager te laten afdruipen en sommigen zelfs het loodje te laten leggen. Tijdens iedere cyclus zorgt de explosie voor een hoge druk in de reactiekamer. Deze is gelukkig goed beschermd tegen de druk, de bijtende stoffen en de hoge temperaturen. Alleen een klein deel van de reactiekamer is flexibel en zet uit tijdens de explosie en drukt zo de klep tussen reservoir en reactiekamer weer dicht. Zodra de gassen de kever via de uitlaat hebben verlaten, neemt de druk weer af in de reactiekamer en kan de klep zich weer openen om de volgende druppel binnen te laten en herhaalt het proces zich.

Britse onderzoekers waren niet zozeer geïnteresseerd in de chemische oorlogsvoering van het insect, maar wel in de ultrafijne spray die de kever produceert. Geïnspireerd op de bombardeerkevers ontwikkelden ze een systeem dat met behulp van hitte en lage druk in snelle pulsen een vloeistof verstuift. Het ‘mist-systeem’ kan bijvoorbeeld worden gebruikt voor injectiesystemen van (auto)motoren. Door de uiterst fijne verneveling van de brandstof mengt deze zich goed met lucht, waardoor een betere verbranding ontstaat. Hierdoor loopt de motor efficiënter en stoot minder schadelijke emissies uit.

Een andere toepassing van het vernevelingssysteem is als vervanger van drijfgassen. Jaarlijks worden wereldwijd zo’n 15 miljard spuitbussen met drijfgas verkocht. Die verstuiven de meest uiteenlopende producten zoals deodorant, slagroom, verf, scheerschuim, haarlak, medicijnen voor mensen met astma (inhalator) en het schuim in brandblussers. De meeste spuitbussen bevatten geen schadelijke cfk’s meer (die de ozonlaag aantasten), maar echt vriendelijk zijn de huidige drijfgassen ook niet. Het mist-systeem vervangt het drijfgas niet door een andere minder schadelijke variant, maar maakt drijfgas gewoon overbodig.

Ook leuk om te weten naar aanleiding van de column:

Deze video met commentaar van David Attenborough laat de bombardeerkever in actie zien. De mier aan het einde van het filmpje legt zo te zien het loodje.

Hoe de kever de explosies genereert wordt nader uitgelegd in dit filmpje van het Massachusetts Institute of Technology (MIT). Opnames van de actieve klieren die met hoge frequentie de mini-explosies genereren zijn ook te vinden bij een wetenschappelijke artikel als extra materiaal.

De chemische reacties die plaatsvinden in de reactiekamer en waarbij veel warmte vrij komt zijn te vinden op Wikipedia. Daar wordt ook het effect van de lage druk genoemd onder de noemer flash evaporation of in het Nederlands ontspanningsverdamping of “flash”-verdamping.

In onderstaand plaatje wordt de explosiecyclus van een klier weergegeven. Aanvankelijk is de klier in rust (linksboven). Vervolgens wordt de klep (valve) geopend en wordt vanuit het bovengelegen reservoir een druppel in de met enzymen gevulde reactiekamer gedeponeerd (rechtsboven). Daar volgt de explosie die de flexibele uitlaat opent (uitrekt) en de klep dicht duwt (rechts). Als het mengsel de kever explosief heeft verlaten kan de klep zich weer openen en een nieuwe druppel in de reactiekamer laten (links). Deze cyclus kan zich 300 tot 1000 keer per seconde herhalen totdat de reservoirs leeg zijn en de klier weer in de rusttoestand terecht komt (linksonder).


Foto: Eric M. Arndt et al

Gepubliceerd in dagblad Trouw op 11 december 2015

Ylva Poelman alias De Bionische Vrouw
E: info@bionicacentrum.nl
T: 06 - 22 79 71 84