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Werkstoffe

Den Raffinessen der Natur auf der Spur: mit Bionik zu neuen Werkstoffen

Leonardo da Vinci, Künstler und Gelehrter, war zu seiner Zeit der Meinung, dass der Mensch niemals die Effizienz und Perfektion der Natur nachahmen könne. Er behielt über einige Jahrhunderte Recht – im Grunde genommen bis zur Entwicklung der Bionik. Diese nimmt sich die vielfältigen und ökonomischen Vorbilder der Natur und entwickelt daraus technische Werkstoffe, die den Eigenschaften des natürlichen Originals schon heute sehr nahe kommen. Eines der populärsten Beispiele ist wohl der Lotos-Effekt, umgangssprachlich auch als Lotus-Effekt bezeichnet: Oberflächen werden so wie die Blütenblätter der Lotosblume texturiert und sind dadurch in der Lage, sich selbst zu reinigen. 

Biologie und Technik = Bionik

Die Bionik ist eine noch vergleichsweise junge Wissenschaft, der Kunstbegriff aus Biologie und Technik ist dabei Programm. Anregungen, die die Natur bietet, werden in innovative technische Lösungen umgesetzt. Die große Vielfalt in der Natur bietet dabei erstaunliche Lösungen, die in einem Zeitraum von Jahrmillionen durch die Evolution entstanden sind. Die Bionik versteht sich dabei nicht als Nachahmer der Natur – vielmehr werden die Inputs aufgenommen und als innovativer Lösungsansatz für technische Fragestellungen genutzt. Aufgrund der Erfahrungen mit dieser neuen Herangehensweise hat sich die Bionik mittlerweile etabliert und es entstehen ständig neue Produkte nach dem Vorbild der Natur. Einer der großen Vorteile der Wissenschaft ist die Fokussierung auf Umweltverträglichkeit und Nachhaltigkeit, die sich oft ganz von selbst ergibt.

Bionik im Alltag – aktuell und in der Zukunft

Neben dem bereits genannten Lotos-Effekt begegnet uns im Alltag schon heute an vielen Stellen die Bionik, selbst dort, wo es kaum zu vermuten ist. Das betrifft Bauteile und Formen, aber auch viele Gebrauchsgegenstände, die in ihrer Konstruktion oder im Werkstoff auf die Natur zurückgreifen:

  • Leichtbaustrukturen für die Materialeinsparung bei Offshore-Windanlagen nach dem Vorbild der einzelligen Kieselalge
  • Oberflächenstrukturen für giftfreie Anstriche zum Fäulnisschutz auf Schiffen, abgeschaut von der Haifischhaut
  • Nanostrukturen für klebstofffreie Klebefolien, gesehen beim Gecko
  • Fruchtschalenartige Strukturen zur Dämpfung von Stößen beim Motorradhelm, in Anlehnung an die Schale der Pampelmuse
  • Wiederlösbare Haftsysteme beim Klettverschluss nach dem Klettenprinzip
  • Technische Textilen zum Abtransport von Flüssigkeiten, mit dem Prinzip, das auch in Lianen zu finden ist

Einige der Konzepte sind noch in der Entwicklungsphase, andere – wie der Klettverschluss – bereits seit Jahrzehnten ganz selbstverständlich. Die Bionik entwickelt sich weiter und kreiert dabei unaufhörlich neue und innovative Werkstoffe und Produkte. 

Bionik im Detail

Modernen Materialien wird heute vieles abverlangt. Die Anforderungen gehen hin zur Multifunktionalität und Eigenintelligenz. Materialeigenschaften werden kombiniert, um komplexe und zuverlässig wirksame Produkte zu schaffen. In der Natur sind viele Vorgänge, um die sich der Mensch in der Entwicklung mühsam bemüht, ganz selbstverständlich und scheinbar mühelos umgesetzt. Der Nachbau ist mit der Entwicklung der produktiven Möglichkeiten immer leichter und zeigt beeindruckende Erfolgsergebnisse: 

Selbstheilung von innen heraus

Der wirksame Selbstheilungsprozess von Pflanzen ist in einem selbstreparierenden Elastomer realisiert worden. Mikrorisse, die sonst über kurz oder lang zum Materialbruch führen, heilen von selbst wieder aus. Auspuffaufhängungen, Faltenbälger, Schwingungsdämpfer oder auch Dichtungsringe sind die idealen Bauteile für dieses Material, das aktuell als Prototyp vom Fraunhofer UMSICHT (Fraunhofer Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik) und dem Freiburger Materialforschungszentrum entwickelt wird. Vorbild sind Pflanzen mit Milchsaft wie zum Beispiel der Ficus Benjamini. 

Flüssigkeitstransport mit Stoff

Lianen sind oft bis zu 100 m lang. Um auch die Pflanzenspitze mit Wasser zu versorgen, haben die Wurzelpflanzen ein hocheffizientes System für den Wassertransport entwickelt, das viele Meter und auch große Höhendifferenzen überwinden kann. Forscher entwickelten nach diesem Vorbild technische Textilien, die in Zukunft für den Ferntransport für Flüssigkeiten zum Einsatz kommen könnten. Mikroskopisch kleine Hohlfasern übernehmen diese Aufgabe, und das ganz ohne zusätzliche Pumpe. Die Liane bezieht die Energie für den Transport direkt aus der Sonnenenergie über den sogenannten Transpirationssog. Besonders effizient: Es wird jeweils nur so viel Wasser transportiert, wie die Pflanze für ihren Stoffwechsel benötigt. 

Der Eisbäreffekt

Ein Stoff, der im Sommer kühlt, im Winter wärmt und als Energielieferanten die Sonne nutzt. Gebäude mit textiler Hülle sollen dies in der Zukunft möglich machen. Ein Prototyp des Hauses steht in der Nähe von Stuttgart. Textile, mehrschichtige Solarkollektoren mit hoher Wärmeisolation sammeln die Energie, die bis zum Winter in Silikagelspeichern gelagert wird. Vorbild ist in diesem Fall der Eisbär mit seiner extrem dämmenden Hülle. Der dreischichtige Aufbau aus weißem, dichtem Fell, schwarzer Epidermis und Fettschicht sorgen für den perfekten Energiehaushalt, der auch bei extremen Witterungsverhältnissen noch funktioniert. 

Ungeahnte Möglichkeiten mit Bionik

Die Bionik bietet viele Wege aus der Natur, um innovative und moderne Entwicklungen bei gleichzeitig ressourcenschonendem Betrieb umzusetzen. Dadurch können zahlreiche Einsparungen im Energiebereich prognostiziert werden. In der Zukunftstechnologie schlummern noch viele Potenziale, in den Materialwissenschaften und Nanotechnologien sind ebenso bahnbrechende Erkenntnisse und Entwicklungen zu erwarten wie in den Bereichen Medizintechnik, Robotik oder Informationsverarbeitung. Aktuell ist die Bionik noch in den Kinderschuhen, der Ansatz „Lernen von der Natur“ setzt sich jedoch in immer mehr Bereichen durch. Durch die intensive Beschäftigung mit natürlichen Prozessen kann sich ein erweitertes Verständnis für unsere Umwelt, zum Beispiel im Bereich der Biodiversität, etablieren.


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