science + tech

Bionik

Der Natur auf der Spur

Immer wieder bestaunen wir die Leistungen der Natur. Wie scheinbar mühelos Vögel in der Luft dahingleiten, welche Flugkunststücke sogar Stubenfliegen vollbringen, wie pfeilschnell Haie durchs Wasser schießen, wie zart und doch robust Grashalme aufgebaut sind – das sind nur einige Beispiele für Eigenschaften von Tieren und Pflanzen, die uns faszinieren. Wäre es nicht möglich, von der Natur zu lernen?

Der Traum vom Fliegen
Menschen haben keine Flügel. Aber wenn wir genau beobachten, wie ein Vogel fliegt, könnten wir uns Flügel bauen und es ihm gleich tun? Das dachte sich beispielsweise Leonardo da Vinci und entwarf bereits um das Jahr 1500 Flugapparate nach dem Vorbild von Vogelschwingen. Sie sahen imposant aus – damit fliegen konnte man allerdings nicht. Die Strategie, die Natur nur nachzuahmen, ohne fundamentale physikalische Gesetze zu beachten, war gescheitert. So einfach geht es leider nicht.

Das Bestreben, das Reservoir der Natur „anzuzapfen“, treibt Wissenschaftler und Ingenieure jedoch weiterhin an. Seit gut fünfzig Jahren hat ihr Tun am Übergang von Technik und Biologie einen Namen: Bionik. Dieser Begriff meint das Lernen aus der Natur für die Technik, nicht jedoch simples Kopieren. Zwar zeitigte auch dieses Vorgehen Erfolge, etwa den Klettverschluss, abgeschaut bei der Großen Klette. Meistens liefert die Natur aber keine Kopiervorlagen für die Technik. Das würde zu nichts führen, denn die Natur ist sehr komplex und findet für spezifische Probleme an ganz bestimmten Orten unter ganz besonderen Bedingungen sehr individuelle Lösungen. Erfolg versprechender ist es hingegen, die richtigen Fragen an die Natur zu stellen und zu analysieren, was hinter einer erfolgreichen Konstruktion steckt.

Lernen von der Natur
Inzwischen beschäftigen sich von der Klimatechnik über die Materialwissenschaften bis hin zur Informatik viele Disziplinen mit Bionik. Die Antworten auf ihre Fragen sind faszinierend. Die Fellhaare von Eisbären leiten das Sonnenlicht auf die schwarze Oberhaut – mit Licht leitenden Polyesterfasern kann man auch Sonnenkollektoren betreiben. Delfine kommunizieren störungsfrei per Ultraschall und überlisten dabei den Nachhall durch Frequenzänderung – ein Vorbild für die Unterwasserkommunikation. Kieselalgen schützen sich mit filigranen, aber sehr stabilen netzartigen Panzern gegen ihre Feinde und stehen damit Pate für die Entwicklung neuartiger Autofelgen. Fische in den Polarregionen bewahren ihre Körpertemperatur mit Hilfe natürlicher Frostschutzmittel, die für die Landwirtschaft interessant sein könnten.

Auch in der Architektur und im Bauwesen gewinnen Konstruktionsprinzipien aus der Natur immer mehr an Bedeutung. Allerdings ist nicht in allem, was nach Bionik aussieht, Bionik drin. Gerade die Architektur ist anfällig fürs „Abkupfern“, weil viele meinen, einem Bauwerk müsste man das Vorbild Natur direkt ansehen. Ein Fehlschluss, denn „das Gebäude einer Fastfood-Kette sieht ja auch nicht aus wie ein Hamburger“, sagt der Darmstädter Architekt und Professor Stefan Schäfer, ein Experte auf dem Gebiet der Baubionik. Prominentes Beispiel der „Bionik-Falle“: das Pekinger Olympiastadion mit dem Spitznamen „Vogelnest“. Optisch ist die Analogie zutreffend, „aber mit Bionik hat das nichts zu tun. Das wäre vielleicht der Fall, wenn durch die Bauweise deutlich weniger Stahl eingesetzt worden wäre.“

„Echte“, aber gewissermaßen ungeplante Bionik steckt hingegen im Münchner Olympiastadion. Das wohl berühmteste Zelt Deutschlands, entworfen von dem Architekten Frei Otto, ist frei an Masten aufgehängt und – obwohl es leicht und luftig wirkt – sehr stabil. Erst im Nachhinein stellte man fest, dass Zitterspinnen ganz ähnlich verfahren, wenn sie ihre Netze zwischen Grashalmen bauen. Wie beim Münchner Stadiondach müssen die Fäden des Netzes nur Zugbelastungen aushalten, während die „Masten“, also die Grashalme, die Druckbelastung tragen.

Auch bei Fassaden und Dächern findet man schon die Umsetzung natürlicher Vorbilder. Feine Strukturen auf Pflanzenblättern minimieren den Wasserkontakt und halten die Oberfläche sauber, weil die Wassertropfen abperlen und dabei den Schmutz mitnehmen – der berühmte Lotuseffekt. Aber „insgesamt steckt die Baubionik noch in den Kinderschuhen, das wird sich allerdings ändern“, prognostiziert Stefan Schäfer.

Leicht, leichter, Pflanzenhalm
Ein Baukonzept, das die Natur an vielen Stellen realisiert hat, ist der Leichtbau. Er steht geradezu für eines ihrer Grundprinzipien: Maximale Effizienz bei minimalem Energie- und Materialverbrauch. Bioniker haben deshalb den Ehrgeiz, einen Werkstoff zu entwickeln, der mindestens so stabil, tragfähig und zugleich flexibel ist wie Stahl, aber vor allem eines: deutlich leichter.

Die Freiburger Biologen Thomas und Olga Speck sowie ihr Mitstreiter Markus Milwich vom Institut für Textil- und Verfahrenstechnik Denkendorf fanden ihre natürlichen Leichtbau-Vorbilder bei mehreren Pflanzenhalmen, u.a. dem Winterschachtelhalm. Seine Leichtbauweise ist sofort ersichtlich: Der Halm ist nicht nur hohl, sondern hat eine im Vergleich zum Durchmesser des Halms extrem dünne Wand, die zudem in Längsrichtung von hohlen Kanälen durchzogen ist. Ultraleicht! Diese Pflanze macht also vor, wie ein Profil Material sparend und zugleich stabil sein kann: durch eine Doppelringstruktur mit verbindenden Stegen. Darüber hinaus haben die Wissenschaftler in einem verholzten Gras, dem Pfahlrohr, Hinweise gefunden, wie Materialien aussehen können, die trotz großer dynamischer Belastungen in ihrer Verbundstruktur intakt bleiben. Die Forschungen mündeten schließlich in einem patentierten Produkt: der Technische Pflanzenhalm. Er ist leicht und stabil und damit hervorragend geeignet für den Einsatz in Luft- und Raumfahrt, in der Architektur oder im Fahrzeugbau.

Zauberwort „selbst“
Was tun, wenn die Luftmatratze oder der Fahrradschlauch kaputt ist? Mühsam flicken! Wie schön wäre es, wenn die Dinge sich selbst reparieren könnten ... Warum eigentlich nicht? Trotzdem waren die Forscher der Plant Biomechanics Group Freiburg von Thomas Speck verblüfft, als sie gefragt wurden, ob sie nicht helfen wollten, selbstreparierende Membranen nach pflanzlichen Vorbildern zu entwickeln.

Der Hintergrund: Die Schweizer Firmen Prospective concepts und Airlight hatten ein neuartiges Tragkonzept entwickelt, das auf Spannung (tension), Luft (air) und Zusammenhalt (integrity) basiert: Tensairity^®. Die Tragwerke bestehen aus Stäben und Kabeln und werden von einer aufgeblasenen, unter Innendruck stehenden Membran auf Abstand gehalten und stabilisiert. Eine geniale Idee: Die filigran aussehenden Luftbalken haben die Tragkraft herkömmlicher Stahlträger, wiegen aber nur ein Zehntel. Mit Tensairity^® wurden schon Parkhausdächer und Fußgängerbrücken gebaut. Kritisch wird es jedoch, wenn die Membran verletzt wird. Hier kommt die Bionik ins Spiel, denn die Natur kennt Materialien, die selbst größere Schäden abdichten können. Die Pfeifenwinde beispielsweise, eine nordamerikanische Liane und das Vorbild der Freiburger Forscher, repariert einen Riss in ihrem Festigungsgewebe dadurch, dass sie ihn mit Zellen aus dem Grundgewebe stopft, die in den Riss hineinquellen. Dann beginnen sich die Grundgewebezellen zu teilen und dichten die Verletzung völlig ab. Nach diesem Prinzip entwickelten die Wissenschaftler einen Polyurethanschaum, in dem Überdruck und Vorspannung herrscht, und beschichteten damit Membranen. Ein voller Erfolg: Die Zeitspanne, in der der Druck im Inneren der Membrankörper absinkt, konnte bei Verletzungen mit Nägeln auf das 100- bis 1000-fache verlängert werden. Die unkaputtbare Luftmatratze rückt näher ...

Von Faltdächern und Luftschlössern
Noch ist Bionik überwiegend anwendungsorientierte Grundlagenforschung. „Es gibt zwar zahlreiche bionische Ideen, aber bisher nur wenige Produkte“, sagt Thomas Speck. Wichtige Impulse für die Praxis erwartet er sich von der Architektur. „Ein Haus ist sowieso ein Unikat, deshalb kann man gerade in der Architektur viele bionische Konzepte ausprobieren.“ Das reicht von intelligenten Beschattungssystemen über Fensterrahmen mit anpassungsfähiger Dichtung – mal bleibt die Kälte draußen, mal kommt Luft herein – bis zu Wänden mit integrierten Versorgungsleitungen. Eine interessante Entwicklung sind beispielsweise bewegliche, faltbare Strukturen. Normalerweise braucht man in der Technik ein Gelenk, wenn sich etwas bewegen soll. Die Natur hingegen meistert dies durch Biegsamkeit. Wandel durch Biegen – kann das auch die Architektur übernehmen? Thomas Speck und seine Arbeitsgruppe wollen zusammen mit der Universität Stuttgart und dem Institut für Textil- und Verfahrenstechnik Denkendorf diese Herausforderung angehen und in drei Jahren ein Demonstrationsprojekt präsentieren.

Hochhäuser nach dem Vorbild der Natur werden wohl Luftschlösser bleiben, obwohl es dafür Pläne gibt. Dieter Oligmüller beispielsweise hat seinen Bionik Tower nach den Bauprinzipien von Bäumen geplant: Der Innenkern des Gebäudes ist, wie das Kernholz eines Baumes, fest und nimmt die meiste Last auf, zur Außenfassade hin wird das Gebäude dagegen elastischer. Einen 1.228 Meter hohen bionischen Wolkenkratzer entwarfen drei spanische Architekten bereits im Jahr 1996. Er wird wie bei Pflanzen durch ring- und strahlenförmige Verstärkungen sowie 200 Meter tiefe Betonwurzeln stabilisiert. Thomas Speck ist solchen Entwürfen gegenüber skeptisch. „Pflanzen sind doch deshalb so windstabil, weil sie nachgeben, mitschwingen und dabei dämpfen können. Ich kann mir aber niemanden vorstellen, dem es Spaß macht, in seinem Büro ständig mehrere hundert Meter hin- und herzupendeln.“ (uk)