Waldbrandsensor nach Vorbild der Natur

Feuerwehrleute wünschen sie sich schon lange: Kostengünstige und hochempfindliche Infrarotsensoren, die große Waldgebiete automatisch überwachen und im Falle eines Brandes rechtzeitig warnen. Zoologen der Universität Bonn sind diesem Ziel einen Schritt näher gekommen: Sie haben einen Waldbrandsensor konstruiert, der zwar noch nicht so empfindlich ist wie handelsübliche Infrarotdetektoren, dafür aber kostengünstiger hergestellt werden könnte. Das bisher in Natur und Technik unbekannte Messprinzip haben sie dabei einem kleinen Insekt abgeschaut: dem Schwarzen Kiefernprachtkäfer, der im Holz frisch verbrannter Bäume seine Eier ablegt und Waldbrände angeblich noch aus 80 Kilometern Entfernung entdecken kann. Die Biologen wollen ihr kleines Vorbild nun vermessen, um zu sehen, wo die Grenzen des neuen Messprinzips liegen.

Der Schwarze Kiefernprachtkäfer fliegt auf verbranntes Holz: Unmittelbar nach Waldbränden laufen die Weibchen auf den Bäumen umher und legen in der verkohlten Rinde ihre Eier ab. Da viele andere Insektenarten eine frische Brandfläche meiden, können sich die Prachtkäfer-Larven dort weitgehend unbehelligt von Konkurrenz entwickeln. Ihren „Sinn für’s Brenzlige“ verdanken die erwachsenen Insekten einem pfiffigen Sinnesorgan auf ihrer Unterseite: Dort sitzen zahlreiche Sensoren, die gerade für die Infrarot- („IR“) Strahlung eines Waldbrandes außerordentlich empfindlich sind.

„Interessanterweise handelt es sich bei diesen Infrarotfühlern um abgewandelte Mechanosensoren“, erklärt der Bonner Zoologe Dr. Helmut Schmitz, „das ist eine völlig neuartige Messmethode für IR-Strahlung.“ Der fingerförmige Fortsatz eines einzelnen Mechanorezeptors steckt dabei in einer winzigen Kugel aus „Kutikula“ – dem Material, aus dem auch der Insektenpanzer besteht. Die Kutikula-Kugel umfasst den druckempfindlichen „Finger“ wie eine Klammer. „Die Kutikula unseres Kiefernprachtkäfers absorbiert nun besonders gut Wärmestrahlung von etwa drei Mikrometern Wellenlänge – das ist genau die Strahlung, die typischerweise bei einem saftigen Waldbrand frei wird. Bei einem Feuer erwärmt sich daher die Kugel, dehnt sich aus und erregt so direkt den Mechanorezeptor“, so der Privatdozent. Da die Atmosphäre für Infrarotlicht in diesem Wellenlängenbereich durchlässig ist, können die Insekten potenzielle Brutplätze auf weite Distanzen wahrnehmen.

Zusammen mit seinem Doktoranden Martin Müller hat Schmitz den Sensor mit einfachsten Mitteln nachgebaut. An die Stelle der Kutikula-Kugel tritt in der Kopie ein Polyethylen-Plättchen. Polyethylen absorbiert Infrarotstrahlung in einem ähnlichen Bereich wie die Kutikula und dehnt sich dabei ebenfalls aus. Diese Ausdehnung messen die Wissenschaftler. „Das Ganze funktioniert schon ziemlich gut, wenn auch handelsübliche IR-Sensoren noch um den Faktor 100 besser sind“, sagt Schmitz, ist aber überzeugt: „Wir befinden uns mit unserem einfachen Prototypen erst am Anfang dessen, was möglich ist.“ Zurzeit sucht der Zoologe nach Industriepartnern, um seinen Sensor genau zu spezifizieren und weiter zu vervollkommnen.

Um zu prüfen, wo die Grenzen des Messprinzips liegen, will er zudem das biologische Vorbild genau vermessen. „In der Literatur gibt es Hinweise, dass der Schwarze Kiefernprachtkäfer Waldbrände noch aus 80 Kilometern Entfernung aufgespürt haben soll; diese Angaben sind aber noch nie geprüft worden und daher auch nicht seriös.“ Die Käfer sollen aber erst der Anfang sein: „Unser Ziel ist es, bei allen bekannten infrarotsensitiven Tieren zu testen, wie empfindlich ihr Sinn für Wärmestrahlung ist.“ Allerdings scheint diese Gabe im Tierreich nicht sehr weit verbreitet zu sein: Bislang weiß man – abgesehen von drei verschiedenen Käferarten – nur von Grubenottern und Riesenschlangen, dass sie über echte IR-Sinnesorgane verfügen. Seit Anfang vergangenen Jahres arbeitet mit Dr. Guido Westhoff auch ein Schlangenexperte am Bonner Institut für Zoologie und untersucht in einem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Projekt den Wärmesinn der Reptilien. So sind – weltweit einmalig – alle bisher bekannten IR-sensitiven Tiere unter dem Dach eines Institutes vereint.

Kontakt:
Privatdozent Dr. Helmut Schmitz
Institut für Zoologie der Universität Bonn
Telefon: 0228/73-2071
E-Mail: h.schmitz@uni-bonn.de