Bombarder-billerne har længe fascineret forskere og andre natur-interesserede på grund af deres helt specielle forsvarsmekanisme mod fjender såsom myrer, edderkopper, frøer og fugle. Hvis bombarder-billen føler sig truet skyder den en kogende varm kemikaliefyldt væske mod truslen med en høj eksplosionslignende lyd. Bombarder-billerne tilhører løbe-bille familien (Carabidae) og inkluderer mere end 500 arter, heraf en art som kan findes på Bornholm.
Kemikalierne hydroquinon og brint peroxid udskilles af specielle kirtler i billens bagkrop. Kirtlerne består af et reservoir og et reaktionskammer, som er forbundet via ventil. Reaktionskamret er forbundet til den ydre verden via en kanal og en udgangsventil. Reservoir’et indeholde en vandig opløsning af hydroquinon og brint peroxid, mens kamret er fyldt med en blanding af catalase og peroxidase opløst i vand. Når disse kemikalier kommer i berøring med hinanden sker der en meget hurtig reaktion som danner frit oxygen og nok varme til at varme væsken op til kogepunktet. Forbindelsesventilen til reservoiret lukker på grund af det dannede tryk og væsken skydes eksplosivt ud gennem udgangsventilen og billens bagkrop. Ved at dreje bagkroppen kan bombarder-billen sigte væsken i næsten alle retninger. Bliver et angribende insekt ramt af væsken kan det få dødelige konsekvenser og væsken kan endda være ret smertefuldt for mennesker.
Ingeniøren Novid Behesthi og professor i termodynamik Andy McIntosh, begge fra Leeds Universitetet i England, har kigget nærmere på denne mekanisme og benyttet en computer model til at undersøge det biomimetiske potentiale af bombarder-billens forsvarsmeanisme. De benyttede sig af resultater fra biologen Tom Eisner fra Cornell Universitet i USA forskning, som blandt andet viste af billens væskeudladning ikke foregår kontinuert, men derimod som en serie af mini-eksplosioner, der danner en pulsjet. Disse observationer benyttede de til at lave en computational fluid dynamics (CFD) model af hvad der fysisk sker under billens udladning. Deres model viser at adfærden af systemet kontrolleres af forbindelses- og udgangsventilen, som åbner og lukker afhængig af trykket i systemer. Diameter af forbindelseskanalen mellem bilens ydre og kirtlen er ydermere vigtigt for farten hvormed væsken skydes ud af kroppen. Hos nogle bombarder-bille arter når farten op på mere end 11 m/s.
Forskernes beskrivelse af mekanismen kan opsummeres som følgende:
1) Bombarder-billen bruger muskler til at åbne forbindelsesventilen og tvinger dermed kemikalierne ind i reaktionskamret.
2)Kemikalierne reagerer med catalysatorene og den kemikaliefyldte væske i reaktionskamret og danner derved en temperatur på mere end 105° C.
3) Reaktionen fører også til dannelse af frit ilt og udskillelsen af denne gas samt temperaturforøgelsen øger trykket i kamret.
4) Når trykket når på på 1.1 bar, tvinges udgangsventilen åben og gassen udvider sig.
5)Dette får forbindelsesventilen mellem reservoir og reaktionskammer til at lukke.
6) Trykket forbliver højt indtil slutningen af væskeudladningen, hvor trykket hurtigt formindskes.
7) Dette får udgangsventilen til at lukke og cyklusen kan fortsætte på denne måde indtil billen ikke længere spænder sine muskler.
De britiske forskere byggede derefter en eksperimentel model og viste af bombarder-billens principper kan eftergøres kunstigt. Modellen benytter en opvarmings og lynfordampningstekning til at udskyde forskellige væsker. Det lille 2 cm kammer kan udskyde væske op til 4 meter eller danne en fin tåge med dråber helt ned på 2 µm i diameter.
Den fysiske model er blevet yderligere udviklet og danner baggrunden for deres µMist™ teknologi, som giver en meget fin kontrol over dråbe-størrelse, temperatur og hastighed af udsprøjtende væsker ved at efterligne to-ventilsprincippet fra bombarder-billen. Teknologiens anvendelsesområder inkluderer blandt andet benzin injektion, præcis medicin dosering og i brandslukkere.
Yderligere læsning
Behesthi, N. and McIntosh, A., C. (2007) The bombardier beetle and its use of a pressure relief valve system to deliver a periodic pulsed spray. Bioinspiration & Biomimetics 2: 57-64.
Beheshti N and McIntosh A., C. A bio-inspired mass ejection device using the micro explosive technology of the bombardier beetle Bioinspiration &. Biomimetics. In preparation
Presse meddelse fra EPSRC (Engineering and Physical Sciences Research Council, UK)
http://www.epsrc.ac.uk/PressReleases/BeetlesInspireNewGeneration.htm