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Die Wissenschaft der Bionik

Die Natur als Vorbild der Technik

von Carola Beck
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Geniale Schwingen tragen uns ohne viel Krafteinsatz durch die Luft. Ein stabiler, leichter Kran kann mühelos hin und her pendeln und schwere Gegenstände heben. Schmutz perlt einfach von der Oberfläche ab - ohne waschen. Mit diesen Themen beschäftigen sich viele Wissenschaftler. Sie versuchen, originelle Techniken zu entwickeln und geniale Modelle anzufertigen. Erfinden müssen sie diese nicht, denn solch einfallsreiche und perfekte Konstruktionen gibt es bereits: in der Natur.

Otto Lilienthal, ein Pionier der Flugzeug-Entwicklung, schaffte es, mit einem Fluggerät bis zu 250 Meter weit zu gleiten. (Quelle: Wikipedia )Die Wissenschaftler müssen also nur genau beobachten. Und dann versuchen sie das, was sie sehen, nachzubauen. Diese Wissenschaft nennt man Bionik. Das Wort setzt sich aus Biologie und Technik zusammen. Schon Leonardo da Vinci nahm sich im 15. Jahrhundert die Natur zum Vorbild. Der geniale Künstler und Wissenschaftler untersuchte den Flügelschlag von Vögeln und entwarf daraufhin "Schlagflügel". Da Vinci wird oft als historischer Begründer der Bionik angeführt, da er unter anderem den Vogelflug analysierte und versuchte, seine Erkenntnisse auf Flugmaschinen zu übertragen. Damit sollte es auch dem Menschen möglich sein, zu fliegen.

Bisher hatten die Wissenschaftler dies nicht umsetzen können, und auch die Modelle Da Vincis waren noch nicht flugtauglich. Der Weg war jedoch bereitet. Man forschte weiter auf diesem Gebiet, und die Fluggeräte wurden immer weiter ausgebaut. Auch Otto Lilienthal war fasziniert von der Vorstellung, durch die Luft zu gleiten. Er arbeitete ebenfalls mit dem bionischer Ansatz "der Vogelflug als Grundlage der Fliegekunst". Lilienthal unternahm Tausende von Gleitflügen und schaffte es, mit seinen Flugmodellen bis zu 250 Meter weit zu fliegen. Seine Leidenschaft wurde ihm allerdings zum Verhängnis: Er stürzte 1896 bei einem Gleitflug in die Tiefe. Durch starken Aufwind hatte er die Kontrolle über seine Maschine verloren. Lilienthal starb kurz darauf an den Folgen des Sturzes.

"König der Lüfte" - der Traum vom Fliegen

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Moderne Flugzeugkonstrukteure nehmen sich den Flugstil des Adlers zum Vorbild. Im Gleitflug spreizt er seine Flügelspitzen nach außen. (Quelle: Wikipedia )Auch moderne Flugzeugkonstrukteure nehmen sich den Vogel zum Beispiel: Im Gleitflug spreizt der Adler seine Flügelspitzen nach außen. Dadurch entstehen an den Flügelspitzen viele kleine Luftwirbel, die den Flug weniger stören. Die Flugzeuge liegen heutzutage durch die hoch gestellten Spitzen an den Flügelenden sicherer in der Luft und verbrauchen weniger Kraftstoff.

Noch ein Tier gab den Konstrukteuren einen entscheidenden Hinweis, auch wenn es sich nicht in den Lüften bewegt: der Hai. Der schnell schwimmende Meeresbewohner hat mikroskopisch feine, in Strömungsrichtung verlaufende Rillen in seiner Haut. Die Forscher des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt stellten nach dem Vorbild der Haifischhaut eine Folie her, mit der die Oberfläche moderner Flugzeuge ausgestattet wird. Bis zu drei Prozent des sehr teuren und umweltschädlichen Flugzeugtreibstoffs Kerosin können so eingespart werden. Das hört sich zwar nicht nach viel an, sind aber pro Flug über eine längere Distanz für jede Maschine etwa 2,4 Tonnen (also 2.400 Kilogramm) Treibstoff.

Vorbilder aus der Urzeit

Wie konnte der Diplodocus seinen Hals bewegen ohne umzukippen? Bei dem Bau von Kränen ließen sich die Forscher von der Knochenanordnung des Sauriers inspirieren. (Quelle: Wikipedia )Selbst Dinosaurier, die bereits seit 144 Millionen Jahren ausgestorben sind, bringen die Forscher heute noch auf neue Ideen. Ein Vertreter seiner Gattung, der Diplodocus, war 30 Meter lang und vier Meter hoch. Sein Hals hatte eine stolze Länge von etwa sieben Metern. Wie nur, das fragten sich auch die Saurierforscher, konnte er seinen Hals bewegen ohne umzukippen?

Nach den Erkenntnissen der Forscher am "Paul Scherrer Institut" in der Schweiz waren die Halswirbel des Diplodocus in extremer Leichtbauweise entworfen. Luftkammern reduzierten das Gewicht der Wirbel um die Hälfte. Kombiniert mit Bändern, mit denen auch wir heute unsere Bewegungen steuern, schwenkte der mächtige Dinosaurier seinen Hals biegsam hin und her. Die Forscher wollen nun einen Kran bauen, der genauso flexibel und stabil ist wie dieser Saurierhals - als Beispiel von gelungener Bionik nach "Dino-Art".

Was ist der Lotus-Effekt?

Die Blätter der asiatischen Wunderpflanze entfalten sich makellos sauber, auch wenn die Pflanze im Schlamm wächst. (Quelle: Wikipedia )Wie schön wäre es, wenn man das Auto nicht mehr waschen, Häuserfassaden nicht mehr streichen und Flachdächer nicht mehr reinigen müsste. Mit dem nächsten Regen würde der komplette Schmutz einfach abgewaschen und alles wäre blütenrein. So wie bei der Lotus-Blüte. Die Blätter der asiatischen Wunderpflanze entfalten sich makellos sauber, auch wenn die Pflanze im Schlamm wächst. Diese Art der Selbstreinigung beschäftigt die Wissenschaftler. Sie machen die feine Struktur und die Wasser abstoßenden Wachskristalle für den Lotus-Effekt verantwortlich. Unter dem Mikroskop erkennt man, dass die Oberfläche aus kleinen, hoch stehenden Noppen gebildet wird. Durch das Wachs sind sie auf ihren Spitzen extrem glitschig.

Die Noppen auf der Blattoberfläche sind so winzig klein, dass ein Wassertropfen auf ihren Spitzen weitergereicht wird. Zudem nimmt dieser Tropfen den Schmutz auf der Oberfläche mit. (Quelle: William Thielicke)Die Forscher waren zunächst verblüfft, denn sie hatten angenommen, dass eine besonders glatte Oberfläche den "Rutscheffekt" auslöst. Wasser, das auf die Blätter gelangt, wird auf den Spitzen der winzig kleinen Noppen weitergereicht. Es kommt dadurch nicht mit der gesamten Fläche in Berührung und kugelt sich zu Wassertropfen, die leicht abperlen (siehe Bild). Zudem nehmen die Tropfen den Schmutz auf der Oberfläche mit. Auch Pflanzen und Tiere aus unseren Breiten besitzen einen solchen Lotus-Effekt: Die Selbstreinigung kann man auch bei Kohlpflanzen und Tulpen sowie an den Flügeln von Libellen und Schmetterlingen beobachten. Dieser erstaunliche Effekt wird heute bei der Fassadenfarbe "Lotusan" eingesetzt.

Die Natur bleibt Lehrmeister des Menschen

Durch die Beobachtung von Delfinen fanden Wissenschaftler heraus, dass der Widerstand des Wassers viel eher durch eine runde Wölbung am Schiffsrumpf abgeschwächt wird, als durch eine Spitze. (Quelle: Wikipedia)So wie beim Lotus-Effekt, bei dem die Oberfläche nicht - wie angenommen - glatt ist, sondern rau, stellen auch andere Einsichten aus der Natur bisher Gültiges auf den Kopf. Schiffe zum Beispiel laufen nach vorne spitz zu. Durch diese Form sollten sie schneller und energiesparender fahren.

Wissenschaftler, die sich an der Schwimmtechnik von Delfinen orientierten, fanden allerdings etwas anderes heraus: Der Widerstand des Wassers und der bremsende Wirbel werden viel eher durch eine runde Wölbung am Schiffsrumpf abgeschwächt. Auch für den Delfin ist die rund geformte Schnauze eine große Hilfe bei der schnellen Fortbewegung im Wasser. So bleibt die Natur weiterhin Lehrmeister des Menschen.

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