„Bionik“ heißt: Der Natur technische Tricks abgucken

Freiburg. Kopfüber an der Decke haften – für Geckos kein Problem. Von alleine sauber werden – Lotusblumenblätter schaffen so was. Tiere und Pflanzen bringen erstaunliche Dinge fertig, von denen der Mensch profitieren kann. Diese Meisterleistungen zu erkennen und auf technische Materialien und Anwendungen zu übertragen, ist das Ziel der „Bionik“ (abgeleitet aus „Biologie“ plus „Technik“). „Wir erforschen Pflanzen und Tiere sozusagen mit den Augen eines Ingenieurs“, erklärt Olga Speck, Biologin und Managerin des Kompetenznetzes Biomimetik in Freiburg. Diesem Netzwerk haben sich unter anderem Wissenschaftler der Universitäten Freiburg, Tübingen und Stuttgart sowie das Karlsruher Institut für Technologie angeschlossen.

Für AKTIVonline hat die Expertin einige besonders faszinierende Beispiele ausgewählt:

Lotusblumenblätter

Anwendung: selbstreinigende Oberflächen

Der „Lotus-Effekt“ zählt zu den Bionik-Klassikern: Der patentierte Begriff steht für den selbstreinigenden Mechanismus von technischen Oberflächen. Entdeckt wurde das Phänomen 1970 von Bonner Botanikern an der Indischen Lotusblume. Die wächst vor allem in Tümpeln. Und trotz schlammiger Umgebung sind ihre Blätter immer sauber! Möglich machen das die Oberflächenspannung des Wassers und die feine, wasserabweisende Struktur der Blattoberfläche. Auf der rauen und mit Wachskristallen besetzten Oberfläche liegen die Schmutzpartikel locker auf. Die Oberflächenspannung des Wassers formt die Wassertropfen zu Kugeln, die abperlen – und die Schmutzpartikel mitnehmen. Inzwischen gibt es selbstreinigende Fassadenfarben, Dachziegel, Glasscheiben und Textilien. Und Wissenschaftler haben den Lotus-Effekt bei rund 200 Pflanzenarten nachgewiesen, darunter zum Beispiel Weißkohl und Kohlrabi.

Klettfrucht

Anwendung: Klettverschluss

Zu den großen Erfolgsgeschichten der Bionik gehört auch die Erfindung des Klettverschlusses, die George de Mestral schon 1955 gelang. Er hatte nach Spaziergängen mit seinem Hund ständig mit Klettfrüchten zu kämpfen: Die besitzen winzige Widerhaken, mit denen sie sich zum Beispiel an Hosenbein und Hundefell festheften. Auf diese Weise verbreiten sich die Früchte. Der Klettverschluss funktioniert genauso: Er besteht aus einem Hakenband, das wie die Klettfrucht jede Menge elastische Häkchen hat. Das Flauschband wiederum entspricht dem Tierfell, es besteht aus vielen feinen geschlossenen Schlingen, die sich in den Häkchen verfangen können. Noch immer werden Klettverschlüsse weiterentwickelt – und können heute durch die Verwendung von Metallen sogar in der Raumfahrt eingesetzt werden.

Vogelflügel

Anwendung: Winglets an Flugzeugflügeln

Der Auftrieb eines Flugzeugs entsteht durch Unterdruck auf der Flügeloberseite und Überdruck auf der Flügelunterseite. An den Flügelenden stoßen diese Druckgebiete zusammen. Folge: Es bilden sich Randwirbel, die Energie verbrauchen, der Strömungswiderstand steigt. Ganz vermeiden kann man diese Wirbel nicht, ohne sie entstünde schließlich kein Auftrieb. Nach oben zeigende Flügelenden, sogenannte Winglets, können aber den Strömungswiderstand mindern, was Treibstoff spart. Konstruiert wurden die Winglets nach dem Vorbild der Vogelflügel. Der Steinadler etwa spreizt im Flug seine äußeren Flügelfedern (Handschwingen) auf. Statt einem Wirbel je Flügelspitze werden so viele kleine Wirbel erzeugt. An bestimmten Stellen löschen sie sich gegenseitig aus – der Vogel spart Energie. Während Verkehrsflugzeuge mit einfachen Winglets fliegen, testet man an Segelfliegern erste Prototypen von Multiwinglets.

Wachstum von Bäumen und Knochen

Anwendung: Leichtbau-Konstruktionen

Jedes Gramm, das bewegt wird, kostet Energie. Das weiß Mutter Natur am besten – im Laufe der Evolution hat sie den Leichtbau perfektioniert: Mit einem Minimum an Material gelingt höchste Stabilität. Knochen beispielsweise setzen dort Material zu, wo ihre Beanspruchung hoch ist, an unbelasteten Stellen wiederum bauen sie Zellen ab. Auch Bäume verstärken sich selbst an belasteten Stellen, deshalb findet man zum Beispiel an Astgabeln verdickte Wachstumsringe. Professor Claus Mattheck vom Karlsruher Institut für Technologie und sein Team übertrugen solche natürlichen Wachstumsgesetze in Computersimulationen – die heute zur Optimierung von Bauteilen dienen: Berechnet werden die Stellen, die man verstärken muss, nicht-tragende Bereiche können wegfallen. So entstehen hochstabile bionische Leichtbau-Konstruktionen: ganze Karosserien oder auch einzelne Bauteile wie Motorhalter, Felgen und sogar Schrauben.

Fischflossen

Anwendung: Auswringkörbe

Die Schwanzflosse von Knochenfischen hat unter anderem Forscher der Freudenberg-Gruppe in Weinheim inspiriert: Der Bauplan der Fischflossen war Vorbild für einen Auswringkorb! Drückt beim Schwimmen Wasser gegen die Flosse, krümmt die sich nicht weg – im Gegenteil: Die Kräfte verteilen sich so, dass die Flosse sich dem Wasser entgegenbiegt und es wie in eine Kelle einschließt, was den Fisch beschleunigt. Das funktioniert auch auf dem Trockenen: Drückt man mit einem Finger gegen ein Flossenskelett, wölbt sich die Flosse um den Finger. Das liegt an der speziellen Anordnung der Gräten. Nach diesem Vorbild sind die Kunststofflamellen des Auswringkorbs konstruiert: Sie passen sich dem Wischmopp an – und drücken das Wasser so besser aus.

Geckofüße

Anwendung: Haftfolie

Der Gecko kann sich auf fast allen Oberflächen bewegen, er läuft senkrecht oder gar kopfüber an der Decke, ohne abzustürzen. Grund dafür ist die „trockene Haftung“, es geht dabei, sehr technisch gesehen, um Anziehungskräfte zwischen Molekülen (Van-der-Waals-Kräfte). An den Zehen des Geckos wachsen Lamellen aus winzigen Mikrohärchen, die sich an ihren Spitzen in nur Nanometer große Blättchen aufspalten. Durch diese extrem feinen Verästelungen schmiegen sich die Härchen an allerkleinste Unebenheiten – Härchen und Untergrund ziehen sich an, und die vielen kleinen Haftpunkte addieren sich zu einer starken Haftkraft. Nach diesem Vorbild entwickelte das Unternehmen Gottlieb Binder aus Holzgerlingen eine wiederverwendbare Silikonfolie mit Mikrostruktur: Auf einem Quadratzentimeter „Nanoplast“ befinden sich 29.000 Haftelemente! Das Material haftet auf glatten und sogar feuchten Oberflächen wie etwa Glas oder Kunststoff. Entfernt man es, bleiben keine Rückstände. Übrigens: Ähnliche Strukturen wie bei den Geckofüßen hat man auch bei Käfern und Spinnen entdeckt.

Paradiesvogelblume

Anwendung: Fassaden-Jalousie

Gelenke und Scharniere machen technische Konstruktionen beweglich – sind allerdings verschleißanfällig und wartungsintensiv. Nimmt man ähnliche Bewegungsmuster bei Pflanzen unter die Lupe, fällt auf, dass sie vollkommen ohne Gelenke funktionieren! Die südafrikanische Paradiesvogelblume zum Beispiel wendet zur Fortpflanzung einen Klapp-Trick an: Vögel landen auf ihren Blütenblättern wie auf einer Stange, die biegt sich nach unten, in dem Moment gibt die Pflanze Pollen ab. Biologen der Uni Freiburg und Ingenieure der Uni Stuttgart entwickelten nach diesem Vorbild daraus ein Jalousie-System für Fassaden ohne Gelenke oder Scharniere. „Flectofin“ besteht aus glasfaserverstärktem, hochelastischem Kunststoff, ein integrierter Stab ermöglicht das Auf- und Zukippen der Lamellen. Vorgestellt wurde die Konstruktion erstmals bei der Expo 2012 im südkoreanischen Yeosu, am Themenpavillon „One Ocean“.

Gepardtatze

Anwendung: Autoreifen

Ein Gepard kann nicht nur aus dem Stand einen extrem schnellen Sprint hinlegen: Sogar in Kurven hält sich das Tier bei hoher Geschwindigkeit sehr stabil. Das liegt an den raffinierten Pfoten: Beim Geradeauslaufen sind die Tatzen der Pfote schmal, der dadurch geringe Widerstand ermöglicht punktgenaue Fortbewegung. Beim Landen oder beim Abbremsen vor einer Kurve dagegen spreizt das Tier die Pfoten. Durch die nun breitere Fläche wird mehr Kraft auf den Boden übertragen. Dieses Prinzip hat der Automobilzulieferer Continental auf Autoreifen übertragen, um die Kraftverteilung des Reifens auf der Straße beim Fahren und Bremsen zu optimieren. Der bionische Reifen ist an sich nicht breiter als andere Reifen – er verbreitert sich aber beim Bremsen: Der Bremsweg wird so um bis zu 10 Prozent verkürzt.

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