Forschung

Tatze trifft Technik


Neue Konzepte: Bionik nimmt sich Natur zum Vorbild

München. Es ist nur eine millimeterkleine Verdickung, aber sie hält richtig viel aus – wenn es sein müsste, auch einen kletternden Braunbären.

Wie eine Klaue in einer Tatze, so werden Filter der Wasseraufbereitungsfirma Grünbeck zwischen Wasserrohren befestigt.

Das ist nur eine von vielen Lösungen, die sich Entwickler und Techniker bayerischer M+E-Firmen von der Natur abgeschaut haben.

Mehr Funktion und Sicherheit

Sie setzen zunehmend auf „Bionik“: So wird der Brückenschlag zwischen „Biologie“ und „Technik“ genannt. Das Kunstwort bezeichnet das Nachahmen natürlicher Konstruktionen und Prozesse, das Material und Kosten spart, mehr Funktion, Sicherheit und Komfort bewirkt.

Der Wille, von der Natur zu lernen, ist stark. Seit Entdeckung und Vermarktung des „Lotus-Effekts“ in den 90er-Jahren sind schmutzfreie Oberflächen nur die Spitze des bionischen Eisbergs: Lacke imitieren Haifischhaut, um den Widerstand von Flugzeugen oder Schwimmanzügen zu verringern.

Weniger Druck und Energiebedarf

Sommerreifen verbreitern sich beim Bremsen wie Katzenpfoten, und Formel-1-Boliden schalten bei Regen von Höchstgeschwindigkeit auf mehr Reifenhaftung um – wie Füße eines Geckos. Glasscheiben oder Handy-Displays spiegeln nicht, weil sie Mottenaugen ähneln.

Dagegen inspirierte eine Pflanze kürzlich Konstrukteure der Technischen Universität in München zu einer Idee mit vielen Haken: einem Klettverschluss aus Stahl.

Chemikalien und 800 Grad machen ihm nichts aus, er lässt sich rasch, ohne Werkzeug lösen und wieder verschließen – wie eine Klette. Einer Zugkraft von 35 Tonnen pro Quadratmeter hält er stand: vorteilhaft in Fahrzeugtechnik oder Klima- und Lüftungsbau.

Inzwischen werden auch Rohre natürlichen Fluss-Schleifen nachgebildet. Ihre 90-Grad-Krümmungen verringern den Widerstand beim Wassertransport. Das bedeutet ein Drittel weniger Leitungsdruck und damit benötigte Energie.

Weniger Verbrauch ist ein Top-Thema der Bionik: So setzen Firmen für effizientere Solarzellen auf die Lichtbrechung von Schmetter­lingsflügeln. Oder nutzen die Rumpfform des Pinguins. Sie eig­net sich etwa für Windräder. Schließlich konnte Lehrmeisterin Natur ihre Entwicklungen über Jahrmillionen erproben.

Windschnittig: Flitzen wie Flipper

MAN spart mit Buckel Sprit und Kohlendioxid

München. Von Flipper lernen will der Lkw-Hersteller MAN. So strömungsgünstig wie Delfine durchs Wasser sollen künftig Laster über die Autobahn gleiten. Die MAN-Ingenieure haben dem Lastwagen einen Buckel verpasst. Das macht ihn windschlüpfriger, spart Sprit und verringert den Ausstoß von Kohlendioxid (CO2).

Heute schluckt ein beladener 40-Tonner im Schnitt 33 Liter Diesel auf 100 Kilometer. Der Delfin-Lkw käme auf nur 28 Liter und würde 21 Prozent weniger CO2 verursachen. Bis die Delfin-Transporter auf der Straße zu sehen sind, wird es allerdings wohl noch dauern. Denn sie sind höher und länger als gesetzlich erlaubt.

Flexibel: Flosse im Rücken

BMW-Sitz wird leichter und sicherer

München. Er verhält sich wie eine Fischflosse: der neue „Bionik-Sitz“ von BMW. Presst der Fahrer seinen Rücken in die Lehne, nähert sich die Nackenstütze seinem Kopf – entgegen der Druckrichtung. Das Phänomen heißt „Flossenstrahl- oder Fin-Ray-Effekt“.

„Er senkt das Risiko eines Schleudertraumas bei einem Un­fall“, schildert Thomas Klawitter den Nutzen des Projekts außerhalb der Serienentwicklung.

„Das klappt sogar besser als mit sogenannten aktiven Kopfstützen“, ergänzt sein Kollege Bernhard Rother.

Die flexiblen Flanken der Lehne laufen oben zusammen und sind durch gelenkige Querstreben verbunden. Dadurch gibt die Lehne erst nach, passt sich dem Rücken des Fahrers an und wird dann nach und nach härter.

Das Naturprinzip kann drei Kilogramm Gewicht gegenüber heutigen Sitzen einsparen. Sie werden mit bis zu 18 Stellmotoren bewegt und wiegen bis zu 36 Kilogramm. Dank eines neuen Verbundwerkstoffs ist der Sitz, der der natürlichen Wirbelsäulenform entspricht, insgesamt leichter. Seine Polster sind kleiner und dünner. Das kommt den Passagieren im Fond entgegen: Sie haben mehr Beinfreiheit.

Belastbar: Kräftig wie Krallen

Halterung von Grünbeck senkt Produktkosten

Höchstädt/Donau. Als Ökofreak fühlt sich Maschinenbau-Ingenieur Markus Finger nicht – auch wenn er die Verankerung einer Bärenkralle auf die Halterung eines Grünbeck-Filters angewandt hat.

Der Clou: die kleine Abrundung der rechteckig-scharfkantigen Zähnchen des bisherigen Befestigungskranzes. Sie sollte den zweiten Kranz unnötig machen, der sich wie eine weitere Reihe Krallen ins Rohr hakte.

Nach vielen Berechnungen und zehn Ta­gen Dauertest war klar: Die Messing-Aufhängung laut Naturprinzip hält 15-mal mehr Druck und Zugkräfte aus als die bisherige Konstruktion.

„Das schafft selbst teurer Edelstahl nicht“, sagt Konstruktionsleiter Markus Pöpperl. „Wir haben viel mehr Stabilität, aber nur noch halb so viel Gewicht und Kosten pro Stück.“ Das lohnt sich: Im Jahr verlassen 15.000 solcher Wasserfilter für Einfamilienhäuser das Stammwerk von Grünbeck.

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Info: Bionik-Förderung

Mit dem Programm „Biona“ fördert das Bundesforschungsministerium von 2007 bis 2012 bundesweit 111 Bionik-Vorhaben mit 32 Millionen Euro. An ihnen beteiligen sich Forschungsinstitute, Hochschulen und neben elf Groß­unternehmen auch 33 kleine und mittlere Firmen.

Mehr zu Fördermöglichkeiten: www.bionische-innovationen.de

Netzwerke bringen Firmen mit Forschungspartnern zusammen, zum Beispiel: www.biokon.net

Ideen-Tausch als Stärke

Wo Chancen und Hürden in der Nutzung von Bionik liegen, erklärt Professor Thomas Speck. Der Botaniker und Bioniker forscht und lehrt an der Universität Freiburg.

AKTIV: Wo stehen deutsche Firmen und Wissenschaftler im internationalen Vergleich?

Speck: Noch vor den USA und Japan gehören wir zu den führenden Bionik-Nationen. Aber die Natur bietet noch viel Potenzial für schlaue Technik.

AKTIV: Was liegt im Trend?

Speck: Materialien mit neuen Kombinationen von Eigenschaften wie extrem steif plus zäh. Neue Haftoberflächen, die Metall mit Metall oder mit Kunststoff verbinden. Andere Stoffe erkennen und reparieren Risse selbst. Oder zeigen Fehlstellen direkt durch eine Farbveränderung an.

AKTIV: Das klingt nach viel Forschungsaufwand. Ist der für Mittelständler überhaupt machbar?

Speck: Es gibt vielfältige Netzwerke und Fördergelder. Zuallererst müssen aber die Barrieren in den Köpfen weg.

AKTIV: Woher kommen die?

Speck: Von verschiedenen Ausgangspunkten: So sind zum Beispiel für Techniker Grenzflächen meist ein Graus. Wo zwei Materialien aufeinandertreffen, kann etwas brechen oder rosten. Biologen finden aber gerade dort bionisch interessante Eigenschaften.

AKTIV: Was kann helfen?

Speck: Bionik lebt gerade vom fächerübergreifenden Austausch. Die Bereitschaft dafür wächst bei Hochschulforschern und Entwicklern in Firmen. Ist eine Funktionsweise durchschaut, muss die passende Eigenschaft nämlich oft noch herausgefiltert werden: für die eine geplante technische Anwendung.

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