Origami-Geometrie Könnte Open-Ocean-Seegrasanbau Für Die Kohlenstoffbindung Skalierbar Machen

KNOXVILLE, TN, 13. Oktober 2026 /24-7PressRelease/ -- Ein modulares, von Origami inspiriertes Aquakultursystem könnte dazu beitragen, den Seetanganbau in den offenen Ozean zu verlagern, wo starke Strömungen und Nährstoffmangel die Skalierung begrenzen. Das Seaweed Origami-inspired Aquaculture System (Seaweed OAS) nutzt eine Schale-Kern-Struktur, um die lokale Strömung zu verlangsamen, Anheftungsflächen zu bieten und Nährstoffe mit langsamer Freisetzung zu speichern. In Simulationen erzeugte eine Einheit bei Strömungen von 2,0 m s⁻¹ ein geeignetes Wachstumsvolumen, das 17-mal größer war als das einer sphärischen Referenz. Optimierte Sechs-Einheiten-Arrays erhöhten das geeignete Volumen pro Einheit um das 2,1-Fache. Labor-, See- und Freiwassertests bestätigten die Stabilität, und eine globale Kartierung identifizierte 10.335 Millionen Hektar geeigneter Gewässer. Das Design bietet einen skalierbaren Weg für die Kohlenstoffbindung durch Seetang.

Seetang-Aquakultur ist eine naturbasierte Klimalösung. Makroalgen tragen etwa 1,5 Petagramm Kohlenstoff (PgC) zur globalen jährlichen Nettoprimärproduktion bei, und Sedimente in Farmen können etwa 1,87 ± 0,73 Tonnen Kohlendioxidäquivalent (CO₂e) pro Hektar und Jahr begraben – etwa doppelt so viel wie in benachbarten nicht bewirtschafteten Gebieten. Doch die Ausweitung auf den offenen Ozean wird durch starke Strömungen begrenzt, die eine stabile Anheftung verhindern und die für das Wachstum erforderlichen niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten zerstören. Nährstoffe wie Stickstoff, Phosphor und gelöstes Eisen sind für eine großflächige Kultivierung zu verdünnt. Bestehende Plattformen sind entweder auf knappe Offshore-Infrastruktur angewiesen oder können die lokale Strömung nicht regulieren. Aufgrund dieser Herausforderungen ist eingehende Forschung erforderlich, um skalierbare, kostengünstige Strukturen zu entwickeln, die die Strömung regulieren, Nährstoffe liefern und die Anheftung unterstützen.

Forscher der Zhejiang University haben gemeinsam mit Kollegen der Guizhou University und des Ningbo Innovation Center die Studie am 28. September 2026 online in Environmental Science and Ecotechnology veröffentlicht (DOI: 10.1016/j.ese.2026.100769). Das Team entwarf das Seaweed Origami-inspired Aquaculture System (Seaweed OAS), das aus 12 varianten pentagonalen Einheiten zu einer dodekaederähnlichen Schale zusammengesetzt wird. Jedes Modul kombiniert eine von Origami inspirierte Schale, einen internen Nährstoffraum, eine zentrale Auftriebskugel und Verbindungssitze. Mithilfe von Computational Fluid Dynamics (CFD), Labor- und Seetests sowie einem Freiwassertest in der Region des Philippinengrabens bewerteten die Forscher die Strömungsregulierung, Stabilität und das globale Einsatzpotenzial.

Die Geometrie ist der Durchbruch. Inspiriert vom traditionellen chinesischen Huiwen-Muster (Fret-Muster) falteten die Forscher flache Paneele zu einer 25-seitigen varianten pentagonalen Einheit. Zwölf Einheiten fügen sich zu einer dodekaederähnlichen Schale zusammen. Das dimensionslose Skalierungsverhältnis φ = a/R, wobei a der Radius des Hilfskreises und R der Radius des Basiskreises ist, steuert die Faltung. Simulationen testeten φ-Werte von 0,28 bis 0,56; das optimale Einzeleinheiten-Design war φ = 0,36. Bei einem Zufluss von 2,0 m s⁻¹ erzeugte es 2.607,7 cm³ geeignetes Wachstumsvolumen, und das beste Einzeleinheiten-Ergebnis erreichte 2.791,6 cm³ – das 17-Fache einer sphärischen Referenz. Geeignetes Wachstum wurde als Strömungsgeschwindigkeit in Strömungsrichtung ≤0,5 m s⁻¹ definiert. In einem Hexagon-2-Layout mit sechs Einheiten und 0,35 m Abstand erreichte das gesamte geeignete Volumen 33.210,3 cm³ bei 2,0 m s⁻¹, oder 5.535,1 cm³ pro Einheit, das 2,1-Fache einer isolierten Einheit. Die Module wurden im 3D-Druck mit Polymilchsäure (PLA) und wasserlöslichen Polyvinylalkohol (PVA)-Stützen hergestellt. Drucktests ergaben eine minimale Spitzenlast von 11.693 N gegenüber einer vorhergesagten Spitzenströmungskraft von 39,9 N, ein Sicherheitsfaktor von 293. In See- und Philippinengraben-Tests blieb das System schwimmfähig und stabil, auch bei Welleneinwirkungen. Eine globale Kartierung schätzte 10.335 Millionen Hektar – 28,5 % des globalen Ozeans – als potenziell geeignet ein.

Die Autoren sagten, das Design verwandle eine alte Faltidee in ein praktisches marines Werkzeug. „Durch die Umgestaltung der Strömung um jedes Modul schafft das System ruhige Mikrohabitate, in denen Seetang anhaften und wachsen kann, während dasselbe Modul Nährstoffe mit langsamer Freisetzung speichert“, sagten sie. Sie fügten hinzu, dass kooperative Nachlaufwechselwirkungen die Leistung verstärken können: Das optimierte hexagonale Array ermöglicht es vorgelagerten Einheiten, nachgelagerte Einheiten abzuschirmen, wodurch das geeignete Wachstumsvolumen pro Einheit erhöht wird. Dennoch warnten sie, dass langfristige Kultivierungsergebnisse, die Kohlenstoffspeicherung in der Tiefsee und die ökologischen Auswirkungen der Materialzersetzung noch nicht verifiziert sind und Feldstudien erfordern.

Wenn sie über längere Einsätze validiert werden, könnte die Seaweed OAS den Seetanganbau im offenen Ozean für Nahrung, Futtermittel, Biomaterialien und Kohlenstoffbindung unterstützen. Ihr modulares Schale-Kern-Design könnte ohne bestehende Offshore-Infrastruktur eingesetzt werden, und Verbindungsmodule mit kontrollierbarem Abbau könnten es dem System schließlich ermöglichen, auseinanderzubrechen, sodass kohlenstoffreiche Biomasse in die Tiefsee sinkt und dort langfristig gespeichert wird. Die globale Eignungskartierung deutet auf ein großes Potenzial in Meeresgebieten hin, wobei Schifffahrtsrouten, Eisbedeckung, Temperatur, Nährstoffverhältnisse, Strömungsgeschwindigkeit und Meeresschutzgebiete (MPAs) die Standortwahl leiten müssen. Die Autoren fordern langfristige Offshore-Tests, um Seetangwachstum, strukturelle Haltbarkeit, Ökotoxizität der Materialien und das Schicksal und die Persistenz des gebundenen Kohlenstoffs zu quantifizieren.

Referenzen
DOI
10.1016/j.ese.2026.100769

URL der Originalquelle
https://doi.org/10.1016/j.ese.2026.100769

Förderinformationen
Diese Studie wurde finanziell unterstützt durch das National Key R&D Program of China (2024YFC3714600, 2023YFE0113104), die National Natural Science Foundation of China (Nr. 52130501, 52505289), den „Spearhead“-Forschungs- und Entwicklungsplan der Provinz Zhejiang (2024C03245), die Wissenschafts- und Technologieprojekte der Provinz Guizhou (XKBF[2025]015 und BQW[2024]010), die Natural Science Foundation der Provinz Zhejiang/Fortsetzungsprojekt für herausragende junge Wissenschaftler (LRG26D060001) und die Fundamental Research Funds for the Central Universities (226-2025-00209).

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