Technik lernt von der Natur

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Zeichnungen: Lilienthal Musem Anklamm Auftrieb Niedrige Strömungsgeschwindigkeit c c b Hohe Strömungsgeschwindigkeit b a Fotos: Archiv J. Brand Grafi ken: J. Brand Technik lernt von der Natur Denk- und Handlungsprozesse Biologisches Vorbild Vorbild Storch im Flug Untersuchung Aufdecken und Entschlüsselung des Prinzips Prinzip-Verständnis Erklärungsmodell Wirkungsprinzipien Modellbildung Loslösung vom biologischen Vorbild, Abstraktion Technische Umsetzung Von der Testphase zur Serienreife Gezielte Suche Zufällige Beobachtung Aufbau des Vogelfl ügels Wie ist er strukturiert ? Wie funktioniert er? Warum funktioniert der Flügel ? Auftrieb, Luftwiderstand, symbolisch vereinfacht dargestellt Übertragung auf Funktionsmodelle Testen verschiedener Varianten Funktionstest Optimierung von Merkmalen, Funktionen, Material, Aufbau, Optik Foto: J. Bottelberg Foto: P. MacKenzie
Der Eisbär überlebt spielend extreme Kälte. Die Haare seines Fells ähneln kleinen Röhrchen (analog einem Lichtleiter) und leiten das Licht direkt auf die Haut, um sie zu erwärmen. Die Haut selbst ist schwarz und absorbiert deshalb die Wärme besonders gut. Das Fell wiederum wirkt durch die eingeschlossene Luft wärme isolierend wie ein Wollpullover. Statt mit Chlorophyll fängt die Grätzel-Zelle die Solarenergie mit einer auf der rund 10 Mikrometer dicken Titandioxid (TiO2)-Schicht liegenden Schicht des synthe tischen Farbstoffs Fs ein. Die als positive Elektrode wirkende zweite Glasplatte ist ebenfalls mit einer dünnen leit fähigen und transparenten Schicht belegt, aber zusätzlich mit Graphit beschichtet. Der angeregte Farbstoff Fs* überträgt die negativ geladenen Teilchen (Elektron) auf das Titandioxid. 2 Fs* + 2 TiO2 --> 2 Fs + + 2 (TiO2 + e - ) Sie werden von dort auf die transparente Zinnoxidschicht geleitet. Von hier fl ießen die Elektronen, nachdem sie ihre Energie an einen elektrischen Verbraucher abgegeben haben, zur positiven Gegenelektrode und von dort wieder in die Solarzelle. Dort wird der Elektronenverlust des Farbstoffs aus dem Jdid der Elektrolyt-Lösung ausgeglichen, indem es zu Trijodid reduziert wird: 3 I - --> I3 - (J2/J - )+ 2e - und der Farbstoff Fs + seine Elektronen zurückerhält: 2 Fs + + 2e - --> 2 Fs Über die Graphitschicht zur Beschleunigung werden wieder Elektronen nachgeliefert: I3 - + 2 e - --> 3 I - Collage: J. Brand Technik lernt von der Natur Die Kraft der Sonne speichern Die als Licht und Wärme auf die Erde treffende Menge an Sonnenenergie beträgt jährlich 1,5 18 bis 10 18 kWh, ungefähr das 15 000-fache des Primär- energieverbrauchs der Menschheit 2006. Die Natur zeigt Vorbilder für die Nutzung. Ein Haus mit Eisbärfell Das Fell des Eisbären lieferte im Bereich der Klimabionik die Anregung für die Transparente Wärme-Dämmung (TWD). Die Struktur der Dämmung besteht aus einer Wärme aufnehmenden Absorberschicht am Haus mit einer darüber liegenden Kapillarplatte (winzige lichtleitende Röhrchen, analog dem Eisbär- fell) und einer äußeren Schutzschicht, die lichtdurchlässig ist. Im Vergleich zu einer herkömmlichen, lichtundurchlässigen Wärmeisolation kann die TWD mehr Wärme durch das Mauerwerk ins Hausinnere leiten. Vorbild Natur Technische Nutzung Eisbärfell Transparente Wärme-Dämmung (TWD) Die Grätzel-Zelle Organische Farbstoff-Solarzelle nach dem Vorbi ld der Fotosynthese Während bei der Fotosynthese mit Hilfe des grünen Blattfarbstoffes Chloro- phyll aus Kohlendioxid, Wasser und Licht letztlich Zucker entsteht, ist das Ergebnis bei der organischen Solarzelle elektrische Energie. Die nach ihrem Erfi nder Michael Grätzel benannte Grätzel-Zelle überspringt die Fotosynthese und wandelt die Solarenergie direkt in Strom um (Fotovoltaik). Das Sonnen- licht wird in einem organischen Farbstoff absorbiert, der seine Energie nach mehreren Umwandlungsschritten an die Elektroden als Strom abgibt. Bei der Weiterentwicklung werden die Farbstoff-Solarzellen mit Hilfe von Nano partikeln verkleinert und nun als dünne fl exible Folien her gestellt. Der Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Sonnenlicht liegt zur Zeit noch deutlich unter dem der Silizium solar zellen. Fortschritte der Nanotechnologie führten so zu einer Steigerung des Wirkungsgrades der Farbstoff solarzellen auf etwa 8%. Erwartet werden Wirkungsgrade bis 12%. Vorbild Natur Technische Nutzung Fotosynthese Farbstoff-Solarzelle (Grätzel-Zelle) preisgünstige, umweltfreundlliche Herstellung Ausnutzung von diffusem Licht mechanische Flexibilität vielseitige Anwendungsmöglichkeiten
Seite 1 und 2: Dank ungefähr einer Milliarde hier
Seite 3 und 4: Der Kofferfi sch mit Modellkörper:
Seite 5 und 6: Funktionsdemonstration am Lotusblat
Seite 7 und 8: Foto: St. Schulz, Forschungszentrum
Seite 9: Foto: E. Menz Wir Menschen merken e

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