Bionik – wie uns die Natur auf die Sprünge hilft

Bionik - wie uns die Natur auf die Sprünge hilft. © spothits/Auto-Medienportal.Net/Daimler
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Bionik – wie uns die Natur auf die Sprünge hilft

Gebäudefarben, die Schmutz nach dem Vorbild der Lotosblume aus eigener Kraft entfernen können. Scheinwerfer im Audi R8, die an einen geöffneten Pinienzapfen erinnern. Klebstofffreie Verbindungen wie sie zwischen den Füßen eines Gecko und einer Glaswand bestehen, auf der das Tier ohne Mühe senkrecht nach oben läuft.

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Bionik – moderne Technik

Auf Beispiele wie diese sind in der modernen Technik längst nicht mehr wegzudenken. Bionik, jene Wissenschaft, die Technik, Architektur und Mathematik miteinander verknüpft, geht Ideen und Problemlösungen der Natur auf den Grund, die sich in einem über Millionen von Jahren dauernden Entwicklungsprozess bewährt haben.

Wenn sich auch der Gewinn, der mit Hilfe der Bionik zu erzielen ist, erst seit wenigen Jahrzehnten herumgesprochen hat, ist diese Denkweise in Wahrheit uralt. Der erste Bioniker der Welt war Leonardo da Vinci. Bereits vor 500 Jahren studierte das italienische Universalgenie den Flug der Vögel und konstruierte nach seinen Erkenntnissen ein Flugobjekt. Auch das Prinzip des Hubschraubers schaute er schon damals der Natur ab. Später triumphierte Otto Lilienthal mit seinem „Flugapparat“, den er ebenfalls nach ausgiebigem Studium eines Storchenflügels konstruiert hatte. Ebenso hat sich Antonio Gaudi an natürliche Vorbilder bei der Planung und dem Bau seiner berühmten Kathedrale Sagrada Familia in Barcelona vor über 120 Jahren angelehnt. Hier standen Baumstrukturen und Ammoniten Pate für gewaltige Turm- und Säulenkonstruktionen.

Sind biologische Anleitungen erst einmal erkannt und die abstrahierten Prinzipien verstanden, dann sind mögliche technische Anwendungen vielfältig – eine Erkenntnis, die sich in den Forschungsabteilungen von Unternehmen immer mehr durchsetzt. Doch vom unermesslichen Ideenpotential der Natur kennen wir bis jetzt nur einen Bruchteil. Bioniker in aller Welt arbeiten daran, diesem Wissen auf die Spur zu kommen. Aber Bionik bedeutet keineswegs reines Kopieren der Natur. Es ist vielmehr Lernen von der Natur und abgeleitetes eigenständiges Gestalten. Denn die Übertragung von der Theorie aus der Natur in die Praxis der Technik mag noch so gut sein, die Perfektion des natürlichen Vorbilds wird so gut wie nie erreicht.

Beispiel Karosseriebau

Vor zehn Jahren entwarfen Ingenieure von Daimler einen Mercedes, der es dank revolutionären Designs und modernster Technik bis ins New Yorker Museum of Modern Art schaffte. Das Auto bekam den Namen „Bionic Car“ und war dem tropischen Kofferfisch nachempfunden. Es war 4,25 Meter lang, bot Platz für vier Passagiere plus Gepäck und zählte mit einem sensationellen cW-Wert von 0,19 zu den strömungsgünstigsten Automobilen dieser Größenklasse. Über diesen Wert freilich würden die lebendigen Vorbilder nur lachen – wenn sie es könnten. Mit dem dreidimensionalen Abbild eines Kofferfisches erzielten die Stuttgarter Ingenieure im Windkanal einen Luftwiderstandsbeiwert von nur cW 0,06. Der Kofferfisch liefert darüber hinaus ein Musterbeispiel für Steifigkeit und Leichtbau. Seine Außenhaut besteht aus einer Vielzahl sechseckiger Knochenplatten, die so gewachsen sind, dass sie bei minimalem Gewicht ein Höchstmaß an Festigkeit bieten. Auch dieses Prinzip wurde auf den Bionic Car-Mercedes übertragen.

Beispiel Autoreifen

Hier schaffte es Eisbär Olaf aus dem Wiener Zoo Schönbrunn postum mit seinen Tatzen bis in die Entwicklungsabteilung von Continental in Hannover. Zwar sind Geradeauslauf und Kurvenverhalten bei Eisbären nicht ganz optimal wie Biologen beobachtet haben. Aber von ihrer Traktion auf Eis und Schnee aus dem Stand heraus können Entwickler von Winterreifen einiges lernen. Verantwortlich dafür sind nicht nur die bärenstarken Zehennägel, hinzu kommen die Lamellenstruktur der Tatzenoberfläche sowie die chemische Zusammensetzung der Sohlenhornhaut.
Für Sommerreifen dienten Katzenpfoten als Vorbild. Bei diesen Pneus soll im normalen Betrieb nur eine vergleichsweise schmale Fläche mit der Straße in Kontakt stehen, um den Rollwiderstand und damit den Spritverbrauch zu senken. Bei Bremsen jedoch und in zügig gefahrenen Kurven kommt es auf möglichst engen Kontakt mit der Fahrbahn an: die Reifen gehen in die Breite. Katzenpfoten verhalten sich ebenso.

Aber: „Die Meinung, die Natur würde Blaupausen bereitstellen, die man nur ausführen muss, führt in die Sackgasse“, sagt Werner Nachtigall, einer der Väter der deutschen Bionik. „Was man übernehmen kann, ist eine Fülle von Anregungen, die auf ihre Übertragungsmöglichkeiten untersucht werden müssen“. Inzwischen belegen diese Anregungen ein weites Feld und machen auch aktuell in Forschung und Entwicklung von sich reden.
So wurde die Struktur der Motorradfelge aus Aluminium für die BMW R 1200 RS einem Säugetierknochen beziehungsweise dem Pflanzenaufbau nachempfunden. Bereiche, die hohen Belastungen ausgesetzt sind, wurden strukturell verstärkt, um beste Festigkeitswerte aufzuweisen. Letztendlich zeigten natürliche Vorbilder die passende Lösung für die Form der Felge. Ähnlich einer Astgabel treten bei den Verstrebungen unterschiedlich hohe Spannungen auf. Pflanzen verstärken gewisse Regionen der Gabelungen, um lokale Belastungsspitzen zu verhindern und die Spannung gleichmäßig auf das gesamte Bauteil zu verteilen.

Wissenschaftler des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) forschen zur Zeit an einer verformbaren Flügelhinterkante für Flugzeuge, die sich stufenlos in beliebige Zielformen bewegen kann und klassische Landeklappen überflüssig macht. Die Klappen an den Tragflächen heutiger Verkehrsflugzeuge werden durch eine aufwendige Mechanik betätigt. Deren Verkleidung sowie entstehende Spalte beim Ausfahren beeinträchtigen die Aerodynamik, erhöhen dadurch den Kraftstoffverbrauch und tragen erheblich zum Fluglärm bei. Die neue Technologie ist dagegen nach dem Vorbild der Venusfliegenfalle flexibel. Sie ermöglicht einen spaltfreien Übergang zwischen Tragfläche und Klappen.

Die zum Teil bemerkenswerten Eigenschaften der Pflanzen- und Tierwelt veranlassten Ford, gemeinsam mit dem amerikanischen Konsumgüterkonzern Procter & Gamble das Feld der Bionik intensiver zu erforschen und bereits gewonnene Erfahrungen zu teilen. Ziel ist eine Vielzahl von industriellen Anwendungen. Auf der Suche nach alternativen Klebeverbindungen ist der Konzern nun auf den Gecko gestoßen. Die kleinen Echsen faszinieren mit bemerkenswerten Klettereigenschaften: Selbst auf senkrechten, spiegelglatten Oberflächen und sogar überkopf finden sie mit ihren klebrigen Zehen sicheren Halt, ohne Kraft auszuüben oder spezielle Sekrete abzusondern. Und wenn sie sich auf diesen Oberflächen scheinbar mühelos fortbewegen, hinterlassen sie keinerlei Spuren oder Rückstände – ein für Automobilhersteller höchst interessantes Phänomen, das die Produktion revolutionieren könnte. Das besondere Talent der Geckos liefert Ford möglicherweise wichtige Hinweise, um neuartige Verbindungstechnologien zu finden.

Bioniker mutmaßen, dass zukünftig Insekten verstärkt in ihr Blickfeld geraten. Die Chitin-Oberfläche schuppiger Käferfüße als Vorbild für Reifen von übermorgen? Fest steht, dass einige der Kerbtiere den Abrieb von Chitin an ihren Beinen dazu nutzen, ihre Haftorgane ständig von selbst zu schärfen. Für Autoreifen könnte das eine Revolution bedeuten.

sph/ampnet/hrr

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