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Die Natur liefert die Idee

04.11.2002  00:00 Uhr
Bionik

Die Natur liefert die Idee

von Ulrike Wagner, Mainz

Ähnelt das Auto der Zukunft einem Pinguin? Wohl kaum, aber die Tiere liefern Ingenieuren Hinweise, wie sich der Strömungswiderstand von Autos optimieren lässt. Für Prothesen, selbstreinigende Fassadenfarben und die Oberflächengestaltung von Flugzeugen steht die Natur bereits Pate.

Tiere und Pflanzen haben viele technische Probleme schon seit Jahrmillionen gelöst. Man muss nur hinschauen. Reines Kopieren führt jedoch in eine Sackgasse. Die Natur liefert vielmehr Anregungen für technologisch eigenständige Entwicklungen, sagte Professor Dr. Werner Nachtigall von der Universität des Saarlandes in Saarbrücken während seines Festvortrags zur Examensfeier für die Absolventen des zweiten Staatsexamens am 31. Oktober in Mainz.

Nachtigall stellte eine Schenkelhals-Endoprothese vor. Deren Oberfläche besteht aus einer dreidimensionalen Gitternetzstruktur, abgeschaut von der knöchernen Spongiosa. Dies ermöglicht eine innige Verzahnung zwischen Metall und Knochengewebe, erklärte Nachtigall. Daher kann die von der Firma Eska entwickelte Prothese ohne Zement eingesetzt werden, das Knochengewebe wächst in die Gitternetzstruktur ein und fixiert die Konstruktion. Die spezifische Struktur verleiht diesen Prothesen daneben biomechanische Eigenschaften, die denen des Knochens entsprechen, sagte Nachtigall. Damit ermöglichen sie über einen langen Zeitraum hinweg einen natürlichen Bewegungsablauf.

 

Definition Bionik ist eine wissenschaftliche Disziplin, die sich mit der technischen Umsetzung und Anwendung von Konstruktions-, Verfahrens- und Entwicklungsprinzipien biologischer Systeme befasst.

 

Lotus-Blätter als Modell

Das bekannteste Bionik-Beispiel ist der Lotus-Effekt®. Er basiert auf einer zufälligen Beobachtung von Wilhelm Barthlott, Professor an der Universität Bonn. Der Botaniker wollte ein System entwickeln, mit dem man ausgehend von Herbar-Material – also getrockenten Pflanzenteilen – die Art einer Pflanze bestimmen kann. Der Biologe untersuchte die Pflanzenteilchen im Rasterelektronen-Mikroskop und beobachtete dabei, dass die Bestandteile einiger Pflanzen verschmutzen und verstauben, andere jedoch unter gleichen Lagerungsbedingungen völlig sauber bleiben. Zu letzteren gehören zum Beispiel die Blätter der Lotuspflanze und die Blütenblätter von Usambara-Veilchen.

Barthlott ging dem Phänomen nach und entdeckte auf der Oberfläche von Pflanzen, die diesen Selbstreinigungseffekt zeigen, Noppen aus Wachskristalloiden. Diese haben einen Durchmesser von 5 bis 6 µm und sind im Abstand von etwa 40 µm gleichmäßig angeordnet. Während ein Wassertropfen auf einer glatten Oberfläche hydrophob auseinander läuft, bleibt dieser Effekt auf einer so genoppten Oberfläche aus. Der Tropfen behält seine kugelrunde Form und nimmt Schmutzteilchen auf, die zusammen dem Wasser ablaufen. Auf einer glatten Oberfläche bleiben die Schmutzpartikel hingegen hängen und sind nur mit mechanischen oder chemischen Reinigungsmethoden zu entfernen.

Dass eine fein genoppte, hydrophobe Oberfläche per se selbstreinigend ist, war zuvor nicht bekannt. Das Prinzip ließ sich Barthlott als Lotus-Effekt® patentieren. Eine geniale Geschäftsidee, denn verschmutzende Oberflächen sind allgegenwärtig.

Die Lotusan-Fassadenfarbe war eine der ersten Anwendungen des Lotus-Effekts, erklärte Nachtigall. Die Farbe ist keine direkte Kopie der Natur, sie enthält keine Wachskristalloide. Aber die Oberflächenstruktur der Lotusblätter wird mit einer Mikrostrukturierung in der Farbe analog nachgeahmt. Die Kontaktfläche für Schmutzpartikel und Wasser ist dadurch stark reduziert. Regentropfen perlen dadurch sofort ab und reißen die nur lose anhaftenden Schmutzpartikel mit.

Aber nicht nur die Selbstreinigung macht die neue Farbe attraktiv. Weil sie wesentlich weniger Wasser aufnimmt als andere Fassadenfarben, trocknet sie schneller - eine Eigenschaft, die mit der ursprünglichen Bionik nichts mehr zu tun hat. Allerdings haben diese Vorteile ihren Preis. Die Farbe ist etwa doppelt so teuer wie herkömmliche Fassadenfarben, allerdings auch umweltfreundlicher.

Selbstreinigender Löffel

Eine völlig andere Anwendung des Lotus-Effekts ist ein Honiglöffel, der derzeit entwickelt wird. Von ihm soll der klebrige Honig schnell und gleichmäßig aufs Brötchen fließen, beschrieb Nachtigall. Die Ingenieure entdeckten dabei, dass sich auch keine Bakterien auf dem Material halten können. Nachtigall: „Sie brauchen den Löffel noch nicht einmal in die Spülmaschine zu stellen.“

Auch die Schuppen auf den Unterseiten von Langlauf-Skiern lehnen sich an die Natur an. Vorbild ist die Schlange Leimadorphys, die im tropischen Regenwald Brasiliens heimisch ist. Drei Biologen des Musée d’Histoire in Paris beobachteten deren Art der Fortbewegung. In ihrer natürlichen Umgebung ist der Untergrund weich. Mit einer Schlängelbewegung wie die einer Kreuzotter würde sich die Schlange nur immer tiefer ins weiche Substrat eingraben. Daher schiebt sie mit Hilfe speziell angeordneter Muskeln den Hautschlauch nach vorne. Dreieckige, wie Dachziegel angeordnete Hautschuppen verhindern, dass sie zurückrutscht, wenn sie ihren Körper nachzieht, erklärte Nachtigall. Die drei Biologen meldeten ein Patent auf so genannte richtungsabhängige Reibungsgeneratoren an und verkauften es an Ski-Hersteller, die daraus einen Anti-Rutschbelag für Langlaufskier entwickelten.

Haischuppen helfen Kerosin sparen

Auch die Schuppen von Haien standen bereits Modell für technische Systeme. Wolf-Ernst Reif, Professor an der Universität Tübingen, suchte nach spezifischen Merkmalen kleiner paläontologischer Proben von Haien, um die Art zu bestimmen. Er entdeckte mikroskopisch kleine Rillen auf den Haischuppen, die sich zu Linien auf dem gesamten Körper des Tiers zusammenfügen. „Diese Linien sind strömungsmechanisch identisch mit Streichlinien, also dem Weg von Partikeln von der Schnauze des Tiers bis zum Schwanz“, erklärte Nachtigall. Reif beschrieb seine Entdeckung dem Strömungsmechaniker Dr. Dietrich-W. Bechert vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Berlin.

Die Berliner Forscher griffen die Idee auf, maßen die Rillen in den Haischuppen genau aus und testeten den Strömungswiderstand von Plexiglasplatten mit ähnlichen Rillen im Öl-Strömungskanal. Basierend auf den Ergebnissen der Wissenschaftler entwickelte die Firma 3M eine Folie, deren Oberfläche etwa 30 Rillen pro Millimeter aufweist. Nachdem sich ein um 10 Prozent geringerer CW-Wert ergab, wurde ein Flugzeug mit der Folie beklebt. Sie verringerte den Luftwiderstand des Flugzeugs um etwa 3 Prozent, was den Treibstoffverbrauch um etwa 5 Prozent reduzierte.

Einerseits ist dies ein Vorteil für die Umwelt, andererseits ergibt sich eine um 8 Prozent höhere Gewinnspanne. Dabei wirke sich im Wettbewerb der Fluggesellschaften bereits eine um 1 Prozent höhere Gewinnspanne stark aus, erklärte Nachtigall. Trotzdem wird sich die Folie wahrscheinlich nicht durchsetzen. Sie hat nur eine begrenzte Lebensdauer und beschert den Fluggesellschaften längere Standzeiten für ihre Flugzeuge, was sich wiederum negativ auf die Bilanz auswirkt. Heute denken Ingenieure darüber nach, die Oberfläche der Flugzeuge schon beim Guss mit Rillen zu versehen.

Ein Seiten-Produkt der Haischuppen-Forschung sind die Speedo-Anzüge der Leistungsschwimmer, die ebenfalls Rillen aufweisen. Besonders bei Frauen ließen sich durch die Ganzkörperanzüge bessere Schwimmzeiten erzielen, sagte Nachtigall.

Pinguin als Modell für Autos

Da der Luftwiderstand auch beim Autobau eine Rolle spielt, sind Autokonstrukteure inzwischen brennend an der Bionik interessiert. Modell stehen hier unter anderem Pinguine. Sie haben trotz eines Längen-Dicken-Verhältnisses von 4:1 wesentlich bessere Strömungseigenschaften als unsere heutigen Autos, erklärte Nachtigall.

Ein von den Ingenieurwissenschaften kaum genutztes Phänomen sind die Selbstbildungsprozesse in der Natur. So formt sich zum Beispiel auf dem Chitinpanzer von Wanzen eine hochkomplexe Oberfläche. Den Tieren dient sie dazu, Pheromone optimal zu verbreiten. Ein einzelner Tropfen eines Pheromons verteilt sich rasch auf der fein strukturierten Oberfläche und verdunstet so leichter. Das Prinzip wäre zum Beispiel interessant, um Folien für Lebensmittel zu entwickeln, sagte Nachtigall. Denn es erlaubt den Durchtritt von Gasen, nicht aber von Flüssigkeiten. Gleichzeitig sind Oberflächen, wie sie die Wanzen auf ihrem Panzer tragen, ebenfalls selbstreinigend. Damit würden die Poren der Folie nie von Staubkörnchen verstopft. Top

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