Wetter
Bionik Ist die Natur der bessere Baumeister?
Logistik wird in Zeiten des globalisierten und Internet-Handels immer wichtiger. Doch wie bringt man empfindliche elektronische Ware heil zum Kunden? Für den Transport von Schaltschränken suchten Wissenschaftler Rat in der Natur.
Ein Film von Andreas Szelenyi
Fakten der Woche
Schaltschränke enthalten hochsensible elektronische Bauteile. Um sie sicher zu transportieren, benötigt man stoßfestes Transportmaterial. Herkömmliche Europaletten können damit nicht dienen: Sie bestehen zwar aus robustem Holz, können Stöße aber kaum abfedern. Für den Transport von Schaltschränken sind sie damit ungeeignet.
Ein Biologe, ein Baum-Experte und ein Ingenieur wollen sie so überarbeiten, dass sie stoßsicher werden - dazu biolgisch abbaubar und möglichst leicht. Sie machen sich auf die Suche in der Natur. Mit Hilfe der Bionik wollen sie das Logistik-Problem knacken.
Von Lotusblumen und Kletten lernen
Bionik, das heißt Biologie und Technik verschmelzen, um nach dem Vorbild der Natur zu konstruieren. Das lohnt sich, weil die Natur ein "einfacher und sparsamer" Baumeister ist, sagt Professor Thomas Speck, Direktor des Botanischen Gartens der Universität Freiburg. "Komplizierte Lösungen sind viel fehleranfälliger." Der Biologe hält die Natur für einen guten Lehrmeister bei allem, was mit Belastung und Dauerhaftigkeit zu tun hat.
So brachte die Lotusblume Wissenschaftler beispielsweise auf die Idee, eine wasserabweisende Beschichtung zu erfinden. Die Klette half bei der Entwicklung des Klettverschlusses.
Schock- statt Europalette
Bei der Überarbeitung der Europalette sind sich die Wissenschaftler schnell einig, dass sie eine Struktur brauchen, die eine getrennte Decken- und Basisplatte hat. Das erlaubt den Einbau von Dämpfern zwischen den Platten. In der Natur finden die Forscher gleich mehrere Vorbilder, deren Struktur und Funktion für das Projekt Europalette geeignet wäre:
Spicken bei Flora und Fauna
Bäume
Warum brechen Äste nicht ab? Warum reißen Windböen Baumwurzeln nicht aus dem Boden? Baum-Experte Claus Mattheck, Professor am Institut für Technologie in Karlsruhe, kann das erklären: Instabil werden Formen der Natur dann, wenn sie durch Biegung, Zug, Längs- oder Querschub punktuell unter Spannung gesetzt werden. Bei Ästen und Baumwurzeln entsteht eine solche Spannung nicht, weil sich die Natur eine optimale geometrische Form ausgedacht hat, die Druck ableitet: das Dreieck. Denkt man sich einen rechtwinkligen Schnitt vom Stamm zur Wurzel und legt dann geometrisch fest vorgegebene Dreiecke an, entsteht eine Kurve, die den optimalen Wuchs mit der geringsten Spannung ergibt. Dieses Prinzip wollen Mattheck und Speck auf die neue Transportpalette übertragen. Bei medizinischen Implantaten wird die Baum-Geometrie bereits eingesetzt. (Bild: Blick in Geäst)
Bananen-Blätter
Als Ideengeber für den Leichtbau eignen sich Bananen-Blätter, genauer ihre Stiele. Das Blatt ist sehr stabil, obwohl der Strunk nicht massiv ist. Er hat eine Art Wabenstruktur, die das Blatt leicht macht, aber auch dämpfend zurückschwingen lässt, wenn man es schnalzen lässt. (Bild: Bananen-Blatt)
Bambus
Auch Bambus ist biegsam und gleichzeitig stabil. Wie schafft die Pflanze das? Die Halmwand des Bambus besteht innen aus einem weißen Gewebe, die wiederum dunkleres Material umschließt. Es ist durchzogen von Faserbündeln. Erst der Materialmix schützt den Bambus-Halm vor einem Bruch: steife und feste Faserbündel geben Stabilität, die elastische Masse drum herum macht ihn flexibel. (Bild: Bambus)
Igel-Stacheln
Interessant sind sie für den Umbau der Europalette, weil die Stacheln starr sind, aber nicht schnell brechen. Ideale Voraussetzungen für einen Dämpfer. Möglich ist das, weil die Stacheln zwar eine feste Hülle haben, aber im Innern eine schaumartige Masse. Doch es zeigt sich, dass sie noch einen weiteren Mechanismus besitzen müssen, denn im Experiment brechen sie bei starker Biegung ab, am Igel jedoch nicht. Die Forscher untersuchen deshalb, wie die Stacheln im Tierkörper verankert sind und warum sie nicht ausreißen. Die Lösung: Wichtig ist auch die zähe Haut, in der die Stacheln des Igels stecken. Sie verbessert die Dämpfungseigenschaft und verhindert, dass die Stacheln ausreißen oder zu stark gebogen werden. (Bild: Igel-Junges mit Stacheln)
Plankton
Kieselalgen und Strahlentierchen sind einzellige Kleinstlebewesen im Meer. Für die Bionik sind Kieselalgen interessant, weil sie ultraleicht sind und so an der Wasseroberfläche schweben können statt zum Meeresgrund zu sinken. Trotzdem sind sie mit einem festen Panzer ausgerüstet, der sie vor größeren Fressfeinden schützt. Das geht, weil das Skelett von Kieselalgen aus stabilem Silikat besteht. Nur die Form der Skelette unterscheidet sich bei jeder Art - und davon gibt es Hunderttausende. Ideale Vorbilder also für Konstruktionen in Leichtbauweise. Ähnliches gilt für Strahlentierchen. Wo die Kleinstlebewesen eingesetzt werden, sparen sie Gewicht, Material und damit viel Geld. (Bild: Modell eines Strahlentierchens)
Die Mischung macht's
Für die neue Europalette bauen die Wissenschafter schließlich die Strukturen von Bananen-Blättern und Igel-Stacheln nach und wenden das Baum-Prinzip an, das dafür sorgt, dass Spannung gleichmäßig auf eine Fläche verteilt wird. Der Prototyp der neuen Palette besteht den Belastungstest. Die interdisziplinäre Zusammenarbeit hat den Wissenschaftlern nicht nur Spaß gemacht, sie ist auch dringend nötig, um den genialen Erfindungen der Natur auf die Schliche zu kommen - und sie erfolgreich nachzubauen.
"Noch ist in der Natur unglaublich viel vorhanden, was bisher nicht annähernd genutzt wird", sagt Meeresbiologe Christian Hamm. Das macht Artenschutz auch ökonomisch interessant. Wer weiß schon, welche Überraschungen die Natur noch für uns bereit hält, welche einfachen Lösungen sie in petto hat für knifflige Probleme. Wer sie erforschen will, muss allerdings Geduld mitbringen:
"Was wirklich schwierig war - und was viele nicht verstehen, vor allem die Biologen - ist, wie lang der Weg von der Idee zum funktionierenden Produkt ist. Das ist ein langer Weg, da sind viele Hürden und Hindernisse zu nehmen: Wie sind die Fasern angeordnet? Wie sind die einzelnen Prozessschritte? Da ist einiges zu tun, was auch mit vielen Rückschlägen verbunden ist."
Jan Knippers, Ingenieur
