Folge 22 - Das Geheimnis von Spinnenseide

00:00:00: Stell dir mal vor, du bist ein Kletterer.

00:00:03: Du hängst da an so einer fast senkrechten Felswand – Hunderte Meter über dem Abgrund!

00:00:09: Der Wind pfeift ja so richtig um die Ohren.

00:00:12: Keine schöne Vorstellung für Leute mit Höhenangst?

00:00:15: Absolut nicht.

00:00:16: Aber das Seil, dass dich sichert… Dass dich völlig mühelos hält selbst wenn du abrutscht... Das ist nicht so dick wie dein Daumen.

00:00:25: Okay

00:00:26: Es ist so dünn wie ein einzelnes menschliches Haar.

00:00:30: Du siehst dieses mikroskopische Fädchen im Sonnenlicht glänzen und du weißt mit absoluter Gewissheit, es wird nicht reißen.

00:00:39: Wahnsinn!

00:00:40: Ja – und das ist eben keine Science-Fiction.

00:00:42: Das ist schlicht und ergreifend Spinnenseite.

00:00:45: Schön dass du heute dabei bist und dir die Zeit nimmst.

00:00:48: Willkommen zu unserer heutigen tiefgreifenden Analyse.

00:00:51: Hallo auch von mir?

00:00:53: Es ist wirklich so dieses klassische Bild von Magie... ...das plötzlich zur harten Wissenschaft wird.

00:00:58: Wir schauen uns heute etwas an, das wir ja alle kennen.

00:01:02: Ja?

00:01:02: Etwas was das an jeder Ziemerecke in jedem Gartenbusch zu finden ist und dass dennoch die absolut klügsten Köpfe unserer Zeit also Ingenieure mit Milliarden Budgets regelrecht in den Wahnsinn treibt... Absolut!

00:01:15: ...in unseren Recherchen für die heutige Analyse speziell als wir uns durch die Akten zum Geheimnis der Spinnenseide gegraben haben sind wir auf Fakten gestoßen die unser Verständnis von Materialphysik komplett auf den Kopf stellen.

00:01:28: Ja,

00:01:28: das kann man so sagen?

00:01:30: Unsere Mission heute ist es aufzuklären warum so ein alltägliches Material moderne Forscher bis heute vor unlösbare Rätsel stellt.

00:01:37: Okay, lass uns das mal aufdröseln!

00:01:39: Gerne

00:01:40: Es gibt da diesen riesigen Mythos Spinnenseide soll stärker sein als Stahl und gleichzeitig dehnbarer als Gummi.

00:01:48: Ist das wirklich wahr oder ist das nur so'n schöner Funfact für Naturdokumentationen?

00:01:53: Um das zu überprüfen, müssen wir uns die reinen physikalischen Fakten ansehen.

00:01:57: Nehmen wir mal den Haltefaden einer Radnetzspinne.

00:02:00: Okay also den Faden an dem sie sich abseilt?

00:02:03: Genau quasi die strukturelle Basis ihres Netzes!

00:02:06: Wenn wir die Zugfestigkeit dieses Fadens im Labor messen landen wir bei einem Wert von ein bis eins Komma fünf Gigapascal.

00:02:12: Okay,

00:02:13: warte kurz.

00:02:14: Für alle von uns die jetzt nicht jeden Tag Materialbelastungstests durchführen?

00:02:19: Eins Komma Fünf Gigapascal klingt nach wahnsinnig viel Druck!

00:02:24: Aber ich brauche da eine Übersetzung für die echte Welt – was hält soviel

00:02:28: aus?!

00:02:29: Ein Gigapaskal ist eine Maßeinheit für mechanische Spannungen.

00:02:33: Um dir ein Bild zu geben, ein bis eins Komma fünf Gigapascals das entspricht exakt der Festigkeit von sehr hochwertigen legierten Baustahl.

00:02:41: Krass!

00:02:42: Echter Stahl!

00:02:43: Ja, exakt das Material aus dem wir gigantische Wolkenkratzer hochziehen und riesige Hängebrücken bauen.

00:02:50: Das

00:02:50: heißt der Mythos ist wahr dieser mikroskopisch kleine Faden aus dem Hinterleib einer Spinne ist tatsächlich genauso stark wie massiver Stahl.

00:02:58: ja aber da hört es nicht auf.

00:03:01: Der Clou ist die Dichte Spinnenseide ist extrem leicht.

00:03:06: um genau zu sein sie ist etwa sechs mal leichter als Stahl.

00:03:09: Ah, okay.

00:03:09: Ich verstehe!

00:03:10: Wenn ich also eine Waage habe und auf die eine Seite ein Gramm Stahl lege und auf der anderen einen Gramm Spinnenseide...

00:03:17: Dann wäre der Spinnenseidenfaden sehr viel dicker oder länger als das winzige Stückchen Stahl weil er fast nichts wiegt.

00:03:25: Logisch.

00:03:26: Wenn wir exakt dasselbe Gewicht als Maßstab nehmen trägt der Spinnenfaden ein Vielfaches der Last von Stahl.

00:03:32: Die Tragkraft im Verhältnis zum Gewicht ist schlichtweg phänomenal.

00:03:36: Ich habe dazu mal ein Gedankenexperiment gelesen, wenn man einen Spinnennetz nehmen und es so hoch skalieren würde dass die Fäden nicht hauchdünn sondern etwa so dick wie ein normaler Bleistift wären.

00:03:50: Ah ja das ist ein sehr bekanntes physikalisches Modell!

00:03:54: Ein solches Netz mit bleistiftigen Fädern könnte eine voll beladene Boeing sieben für sieben im Flug abfangen.

00:04:00: Einen verdammten Jumbojet?

00:04:02: Genau Einfach so in der Luft stoppen, ohne dass die Fäden reißen.

00:04:07: Das ist eine absolut surreal Vorstellung!

00:04:09: Aber lass mich hier mal ein bisschen kritisch einhaken.

00:04:12: Nur

00:04:12: zu?

00:04:12: Wenn es nur um Reisfestigkeit geht warum nehmen wir nicht einfach Kevlar?

00:04:16: das kennen wir ja aus schusssicheren Westen.

00:04:18: Wir können es tonnenweise herstellen und es stoppt Pistolenkugeln.

00:04:21: Was macht die Spinnenseide so besonders?

00:04:23: Das is einen hervorragende Einwurf Und das führt uns direkt zur wahren Superkraft der Spinnensseide.

00:04:29: Kevlar ist extrem stark, aber es hat ein fundamentales Problem.

00:04:33: Es ist Stach!

00:04:35: Okay, es gibt nicht nach.

00:04:36: Richtig und das bringt uns zur sogenannten Zähigkeit was hier wirklich faszinierend ist.

00:04:42: Cähigkeit bedeutet in der Materialwissenschaft wie viel kinetische Energie also Bewegungsenergie ein Material absorbieren kann bevor es bricht.

00:04:51: Zähigkeiten, dass Wort benutzt man im Alltag oft für einen CS-Stake?

00:04:56: Ja genau Aber hier bedeutet es, dass Spinnenseide diese absurde Weißfestigkeit von Stahl mit einer Dehnbarkeit kombiniert, die wir sonst nur von Gummi kennen.

00:05:05: In der Quelle werden ja zwei verschiedene Fadenarten erwähnt – wie groß ist da der Unterschied in der Dehnbarkheit?

00:05:11: Der Haltefaden dehnt sich um etwa dreißig Prozent seiner Länge!

00:05:15: Das ist für etwas das stark wie Stahl schon enorm….

00:05:18: Wahnsinn, dreißzig Prozent!

00:05:20: Aber die klebenden Fangfäden, die Insekten im Netz abbremsen sollen, dienen sich sogar um dreihundert bis fünfhundert Prozent.

00:05:28: Fünfmal so lang wie im Ruhezustand – das muss man sich mal vorstellen!

00:05:31: Eine Fliege saust mit Höchstgeschwindigkeit in dieses Netz?

00:05:35: Das ist ja chenetisch so als würde ein Auto mit hundert Sachen in einen Auffangnetz krachen.

00:05:39: Exakt und wenn das Netz aus Keffler bestünde, würde die Wucht des Netzes einfach aus den Ästen reißen.

00:05:45: Die Energie kann ja nirgendwo hin.

00:05:47: Ah, weil das Keffler die Energie nicht durch eigene Verformung abbauen kann.

00:05:51: Ganz genau!

00:05:52: Spinnenseide hingegen fängt den Aufschlag ab, dehnt sich extrem weit aus und absorbiert dadurch mehr kinetische Energie als jedes andere bekannte natürliche oder künstliche Fasermaterial.

00:06:04: Okay hier wird es wirklich interessant.

00:06:07: Wenn das Material so unschlagbar ist stellt sich doch die Frage Wo stellt ein kleines Tier das einfach so her?

00:06:13: Das ist die große Preisfrage.

00:06:15: Das Ausgangsmaterial sind bestimmte Proteine, die sogenannten Speedruine.

00:06:22: Und diese Proteine schwimmen völlig flüssig in einer wässrigen Lösung in den Spindrüsen.

00:06:27: Warte mal komplett flüssigs!

00:06:30: Das erinnert mich an zwei Komponentenkleber.

00:06:33: Weißt du wie dieses flüssige Epoxidharz aus dem im Bruchteil einer Sekunde durch Druck und Chemie ein unzersterbares Material wird?

00:06:43: Bei der Spinne passiert dieser Übergang im winzigen Spinnkanal und zwar in Sekunden Bruchteilen durch einen dreifachen hochkomplexen Prozess.

00:06:52: Okay, lass uns diesen Prozess mal ins Zeitluber abspielen!

00:06:56: Was ist der erste Schritt im Spinn-Kanal?

00:06:58: Erstmal wirken mechanische Scherkräfte.

00:07:01: Der Kanal wird enger und richtet die völlig durcheinander liegenden Proteine parallel aus

00:07:06: Wie wenn man Spaghetti durch ein enges Rohr presst.

00:07:09: Genau so.

00:07:11: Dann zweiter Schritt, dem Material wird rasant das Wasser entzogen.

00:07:16: Okay also Ausrichtung durch Druck und dann Wasserentzug.

00:07:22: aber da fehlt doch noch der chemische Schock dieser Epoxidharzmoment

00:07:26: Richtig!

00:07:27: Und jetzt kommt das Meisterstück.

00:07:29: Der pH-Wert der Lösung fällt drastisch von sieben Komma zwei auf unter sechs Halt

00:07:35: von siebem Komma Zwei Auf Unter Sechs.

00:07:38: Das ist ein gigantischer Säureschock.

00:07:40: Ja, und zeitgleich kommen Kaliumionen hinzu während Natriumionen entzogen werden.

00:07:47: Und was macht dieser verrückte chemische Schock mit den Proteinen?

00:07:50: Das Resultat ist ein blitzschnelles Umfalten der Proteine.

00:07:55: Es entstehen kristalline harte, better Faltblattstrukturen für die extreme Festigkeit.

00:08:01: Quasi der Stahlteil der Seide

00:08:03: Exakt Und dazwischen bilden sich weiche Amorfebereiche, die wie mikroskopische Federn wirken.

00:08:10: Das

00:08:10: ist der Gummiteil für die Dehnbarkeit!

00:08:12: Ganz genau.

00:08:13: und das alles passiert in dem winzigen Sekundenbruchteil, indem die Flüssigkeit den Körper der Spinne verlässt.

00:08:20: Das is Biochemie auf einem Level, dass einfach nur sprachlos macht... Aber wenn wir das chemische Rezept, den pH-Wert und die Ionen genau kennen Warum tragen wir dann keine Kleidung aus Spinnenseide?

00:08:35: Der Traum von der Spinnenseitenfabrik müsste doch längst wahr sein.

00:08:39: Theoretisch ja, die DNA der Speedruine ist längst entschlüsselt.

00:08:44: Wir lassen die Rohproteine bereits erfolgreich von Bakterien oder Hefezellen herstellen.

00:08:48: In den Quellen stand sogar was von genetisch veränderten Ziegen.

00:08:52: Ja kein Scherz!

00:08:53: Wir können Ziegen das Protein in ihrer Milch produzieren lassen.

00:08:57: Das flüssige Ausgangsmaterial existiert also in raun Mengen.

00:09:01: Also wenn wir den Eimer voller flüssigen Epoxidharz quasi schon vor uns haben, wo liegt dann das Problem?

00:09:07: Das Problem ist der Spinnkanal.

00:09:10: Wenn wir das mit dem großen Ganzen in Verbindung bringen sehen wir oft dass wir die Zutaten verstehen aber an der Mechanik scheitern.

00:09:18: Ah

00:09:18: also wir können diesen perfekten winzigen biologischen Reaktor nicht exakt nachbauen.

00:09:24: Leider nein, menschliche Ingenieure bekommen das perfekte Zusammenspiel von Druck-, pH-Wert und Zuggeschwindigkeit noch nicht im Maßstab hin.

00:09:32: Das heißt künstliche Spinnenseide erreicht die mechanischen Spitzenwerte des natürlichen Vorbilds noch gar nicht?

00:09:38: In der Massenproduktion Nein!

00:09:40: Für Spezialtextilien oder Medizintechnik gibt es schon Anwendungen aber das Original bleibt ungeschlagen.

00:09:47: wir scheitern schlicht am Handwerk der Natur.

00:09:50: Wahnsinn, also was bedeutet das alles für uns?

00:09:53: Spinnenseide ist doch der ultimative Beweis dafür dass die Natur die besten Baupläne oft schon vor hunderten Millionen Jahren perfektioniert hat.

00:10:01: Definitiv!

00:10:03: Das ist die wichtigste Lektion hier.

00:10:05: Wir kennen

00:10:05: die DNA.

00:10:06: wir können Ziegen das Protein produzieren lassen aber wir scheitern an dieser meisterhaften Choreografie des Spinnkanals und das bringt mich zu einem wirklich provokanten Gedanken den man sich mal durch den Kopf gehen lassen muss.

00:10:17: Ich höre

00:10:18: Was wäre, wenn unser ganzer Ansatz in der Materialforschung irgendwie falsch ist?

00:10:22: Wir verbringen Jahrzehnte damit völlig neue synthetische Chemikalien zu erfinden.

00:10:27: Ja

00:10:27: oft mit toxischen Nebenwirkungen

00:10:28: Genau!

00:10:29: Vielleicht sollten wir aufhören nur neue Chemikalien zu erfinden und stattdessen anfangen zu studieren wie die Natur ganz simple vorhandene Bausteine mechanisch verarbeitet.

00:10:40: Das ist ein sehr tiefer Gedanke.

00:10:42: Die Struktur ist oft wichtiger als die Substanz selbst.

00:10:45: Richtig?

00:10:46: Welche anderen unglaublichen Materialien entgehen uns gerade in den Wäldern oder Ozeanen?

00:10:52: Nur weil wir ihre Biomechanik unterschätzen.

00:10:56: Ein Gedanke, den du, der uns heute zuhört, definitiv mit in deinen Tag nehmen solltest!

00:11:01: Wenn Du das nächste Mal durch ein Spinnennetz läufst ärgere Dich nicht sondern bewundere diese unfassbare Hightech-Fabrik!

00:11:10: Danke dass Du heute Dein Wissen mit uns vertieft hast.

00:11:13: es war uns eine Freude bis zum nächsten mal.