Bionik : Natürlich nachgemacht

Bioniker gucken sich die besten Tricks von Pflanzen und Tieren ab. Der letzte Schrei ist ein Kunststoff, der sich von selber flickt.

Jana Bohlmann
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Abgeperlt. An den Blättern von Lotuspflanzen haftet weder Wasser noch Schmutz. Forscher haben den "Lotuseffekt" kopiert. -Foto: vario images

Als Otto Lilienthal die ersten Prototypen von Flugzeugen baute, hatte er sich die Technik bei Vögeln abgeguckt. 1956 entwickelte George de Mestral den Klettverschluss - nach dem Vorbild der Klettpflanze. Und Ende der 90er Jahre ließen sich Materialforscher wasser- und schmutzabweisende Oberflächen patentieren - Eigenschaften, die die Blätter der Lotuspflanze von ganz alleine haben, zum Schutz vor Pilzsporen und Krankheitserregern, die sonst an den Blättern festhaften könnten. Heute gibt es Gebäudefassaden und Waschbecken mit Lotuseffekt. Doch die Trickkiste der Natur ist noch lange nicht ausgeschöpft.

Olga Speck und ihre Kollegen vom Kompetenznetz Biomimetik der Plant Biomechanics Group Freiburg orientierten sich an der Wundheilung bei Pflanzen, um Materialien zu schaffen, die sich von ganz alleine reparieren. Die Pfeifenwinde (Aristolochia macrophylla) zum Beispiel, eine nordamerikanische Liane, kann Risse in ihren Fasern durch nachwachsende Zellen aus ihrem Grundgewebe stopfen.

Die Forscher übertrugen dieses Prinzip erfolgreich auf Dichtungsschäume, die jetzt zur Beschichtung von aufblasbaren Leichtbaudächern, Zelten oder Brücken eingesetzt werden. Das Schweizer Unternehmen Prospective Concepts hat zusammen mit der Firma Airlight ein ultraleichtes Material aus luftgefüllten Membranen entwickelt, das sich vor allem für temporär genutzte Bauwerke wie Hangars, Zelte oder Parkhäuser eignet. Stabilität erhalten die Konstruktionen durch Druckstäbe und Zugseile, die durch die luftgefüllten Membranen auf Abstand gehalten werden. Das Material - das so ähnlich aufgebaut ist wie eine Luftmatratze mit verschiedenen Kammern - hat allerdings einen Haken: Die Membranen sind leicht verletzlich, weshalb sich das Unternehmen an das Team um Olga Speck wandte. Sie sollte zusammen mit ihrem Kollegen nach dem Vorbild der Pfeifenwinde ein sich selbst reparierendes Material entwickeln. Zuerst erkannte das Forscherteam, dass bei der pflanzlichen Selbstreparatur kein chemischer Prozess abläuft, wie etwa bei einem Zweikomponentenkleber. "Die Selbstheilung funktioniert rein physikalisch", sagt Speck.

Die Forscher schufen einen Schaum aus Polyurethan, in dem Überdruck herrscht. Damit wurden die Wände der Luftkammern in den Leichtbaudächern und Zelten beschichtet. Sobald die Membran beschädigt war, quoll der Schaum durch den Überdruck in die entstehende Lücke und verschloss sie. Für diese Errungenschaft wurden Speck und ihr Team vor kurzem in Berlin beim Ideenwettbewerb "Bionik - Innovationen aus der Natur" des Bundesministeriums für Bildung und Forschung ausgezeichnet.

Auch Insekten liefern Vorlagen für die Bionik. So hat das Institut für Textil- und Verfahrenstechnik (ITV) Denkendorf, in Zusammenarbeit mit dem Institut für Nutzpflanzenwissenschaften und Ressourcenschutz (Inres) der Uni Bonn, Schenkelbienen der Gattung Macropis untersucht, die vor allem Pflanzenöle sammeln. Diese Insekten haben eine besondere Haarstruktur an den Beinen. Damit können sie durch Kapillarkräfte Öl aufnehmen, ohne während des Fluges einen Tropfen davon zu verlieren. Mit Hilfe von Kämmen an den Beinen streifen die Bienen das Öl dann rückstandslos wieder ab. Diese Technik wollten Thomas Stegmaier und Andreas Scherrieble kopieren, um wiederverwendbare Textilien zum Öltransport herzustellen. So entstanden Prototypen für Transportbehälter ohne Wände. Damit lassen sich Kraft- und Schmierstoffe nach Unfällen bergen, genauso wie Öl aus beschädigten Tankern. "Die Ölbiene kann bis zu 3000 Prozent ihres Eigengewichts aufnehmen. Das von uns entwickelte Gewebe schafft momentan etwa 600 Prozent", sagte Scherrieble, der die Methode jetzt verbessern will.

Der Wüstenkäfer der Gattung Stenocara inspirierte einen anderen Kollegen vom ITV Denkendorf: Jamal Sasour untersuchte die Panzeroberfläche des Käfers, der in der Wüste Namib im Südwesten Afrikas beheimatet ist. Da es dort kaum Niederschläge gibt, muss der Käfer auf andere Art Flüssigkeit sammeln. Auf dem Rücken ist er übersät mit hydrophilen, also wasseranziehenden Pickeln. Die restliche glatte Oberfläche des Panzers ist hydrophob, also wasserabweisend. In den frühen Morgenstunden setzt sich der Tau auf den hydrophilen Spitzen ab - und zwar so lange, bis der sich bildende Tropfen zu schwer wird. Dann rollt das Wasser über die hydrophobe Oberfläche direkt in das Maul des Käfers und versorgt ihn so mit seiner täglichen Ration an Wasser - eine überlebenswichtige Technik. Nach diesem Vorbild entwickelte Sasour einen Stoff, der abwechselnd aus hydrophiler und hydrophober Maschenware gewebt ist. Damit ließe sich in dürren Gegenden Wasser aus Nebel gewinnen. "Aber noch viel wichtiger könnte das Material für die Filtrationstechnik werden", meint Sasour. "Etwa bei industriellen Prozessen, bei denen gefährliche Dämpfe entstehen. Diese könnten sich auf der Oberfläche absetzen und ablaufen." Auf diese Weise ließe sich das Gefahrengut sofort abtransportieren. Doch bislang gibt es noch Schwierigkeiten bei der Herstellung eines so feinen Maschengewebes.

So einfach, wie die bionische Theorie oftmals erscheint, so kompliziert ist ihre Umsetzung. Es dauert zum Teil Jahre bis eine Idee zu einem industriell nutzbaren Verfahren ausgereift ist, das zum Patent angemeldet werden kann. Und egal, ob man den Vogelflug, den Lotuseffekt oder die haarigen Beine der Ölbienen betrachtet: Fast immer funktioniert der Trick aus der Natur im Original besser als die Kopie des Menschen.

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