Bionik, Biomimetik - Naturwissenschaftliche Rundschau

Speck, Neinhuis: Bionik, Biomimetik – Ein interdisziplinäres Forschungsgebiet mit Zukunftspotential
Im zweiten Forschungsprojekt, das von Volker Mosbrugger
und Anita Roth-Nebelsick (Universität Tübingen) koordiniert
wird, sollen nach dem Vorbild pflanzlicher Wassertransportsysteme
(insbesondere Lianen, Abb. 12c) – in Zusammenarbeit
mit dem ITV Denkendorf neuartige technische
Textilien aus Hohlfasern für den Ferntransport von niederviskösen
Flüssigkeiten entwickelt werden [53]. In den mikroskopischen
Hohlfasern dieser „Textilmatten“ sollen Flüssigkeiten
sicher (Embolievermeidung und Emboliereparatur
durch spezielle Strukturierung der inneren Oberfläche der
Hohlfasern) und bedarfsgesteuert über große Distanzen
transportiert werden. Mögliche Einsatzbereiche sind wassersparende
Bewässerungssysteme und schonende Entwässerungssysteme,
aber auch der Bekleidungsbereich.
Klimatechnik nach dem Vorbild Natur
Erhebliche – und tendentiell steigende – Mengen an Energie
werden in den hoch technisierten Ländern für die Klimatechnik
aufgewendet. Hier verspricht die Nutzung einfacher
physikalischer Prinzipien ein erhebliches Einsparpotential.
Vorbild kann das Belüftungssystem der Bauten des Präriehundes
(Cynomis ludovicianus) sein, das in den 70er Jahren
von Wissenschaftlern um den amerikanischen Zoologen und
Biophysiker Steven Vogel entdeckt wurde [3, 54].
Sie zeigten, dass Präriehunde ihre unterirdischen Bauten
mit zwei unterschiedlich hoch gelegenen Eingängen anlegen.
Einer liegt an der Spitze eines steilwandigen Kegels aus Aushubmaterial,
der andere hingegen auf einer flachen Kuppel.
Wenn ein Wind über den Bau weht, wird durch diesen
Höhenunterschied eine Druckdifferenz hervorgerufen, die
unabhängig von der Windrichtung eine immer in einer Richtung
durch den Bau ziehende Luftströmung erzeugt. Somit
lüften Präriehunde unter Ausnutzung des Bernoulli-Prinzips
(eine Druckdifferenz bewirkt eine entsprechende ausgleichende
Strömung) durch letztlich von der Sonne induzierte
Windbewegungen ihren Bau, der ohne Lüftung unbewohnbar
wäre. Ein auf Temperaturunterschieden beruhendes
Belüftungssystem hat bereits Mitte der 50er Jahre der
Schweizer Biologe M. Lüscher bei Termitenbauten entdeckt
[55]. Hierbei strömt die Luft, angetrieben durch das Wärmegefälle
zwischen (warmer) Bauoberseite und den (kühlen)
unterirdischen Bereichen, in einem geschlossenen Röhrensystem
durch den Bau nach oben und direkt unterhalb der
Bauoberfläche wieder nach unten. Da die Wände der Termitenbauten
aus porösem Material bestehen, kann Kohlendioxid
aus dem Bau heraus diffundieren, während Sauerstoff
hinein diffundiert. Interessanterweise gibt es Parallelen in
der traditionellen vorderasiatischen Architektur zur Belüftung
von Gebäuden, die erst in neuerer Zeit gewürdigt werden.
Ein weiteres Phänomen, welches ebenfalls für Fragen der
Gebäudeklimatisierung interessant ist, wurde von dem Berliner
Physikochemiker Helmuth Tributsch und Mitarbeitern
beim Eisbären (Ursus maritimus) entdeckt. Beim Eisbärfell
leiten die weißen Haare die einfallende Licht- und Wärmestrahlung
ähnlich wie Lichtleiter nach unten zur dunklen
Hautoberfläche, die sie absorbiert. Dies führt in Zusammen-
Abb. 13. Stabilität
von natürlichen
und
künstlichen Faserverbundmaterialien.
– a. Knickversuch
mit einem Internodium
des Pfahlrohrs
(Arundo
donax) aus dem
mittleren Halmbereich.
Die Pfeile
markieren das
a
erste Vorversagensereignis
und den Punkt
endgültigen Halmversagens.
Nach
jedem der bis zu
10 kleinen Vorversagensereignisse
stabilisiert sich der
Halm wieder und
b
toleriert bei weiter
ansteigendem
Biegemoment eine zunehmende Krümmung, bis es zum nächsten
Vorversagensereignis kommt. Hierdurch kann die durch die Pflanze
tolerierbare Krümmung um bis zu 300% erhöht werden. Aus [48]. –
b. Im Labormaßstab hergestelltes strukturoptimiertes Naturfasermaterial
mit hervorragendem Energieabsorptionsvermögen und gutmütigem
Bruchverhalten. Bei diesem biomimetisch inspirierten Material wurden
Gewebe aus Pflanzenfasern in mehreren Schichten in Polyurethanschaum
eingebettet. Aus [50]
spiel mit den im dicken Fell eingeschlossenen, isolierenden
Lufträumen zu einem Wärmegewinn [2, 56]. 1996 haben Werner
Nachtigall und sein Mitarbeiter G. Rummel (Universität
Saarbrücken) ein Niedrigenergiehaus konzipiert, welches
das Lüftungsprinzip der Termitenbauten (passive Porenlüftung)
und das beim Eisbärfell verwirklichte Prinzip der
transparenten Wärmedämmung nutzt [57].
Flusskrebsauge und Röntgenastronomie
Mitte der 1970er Jahre entdeckten unabhängig voneinander
zuerst der Zoologe Klaus Vogt (damals Stuttgart, heute
Universität Freiburg) und kurze Zeit später M. F. Land (University
of Sussex, England) das Funktionsprinzip der Komplexaugen
von Flusskrebsen (Orconectes, Astacus [58–60]).
Das Flusskrebsauge ist wie die Komplexaugen aller Gliederfüßer
aus vielen kegelförmigen Einzelaugen (Ommatidien)
zusammengesetzt. Im Gegensatz zu den als getrennte
Linsensysteme wirkenden, sechseckigen Ommatidien der
Insekten bilden die quadratischen Ommatidien der Flusskrebse
in ihrer Gesamtheit eine Art facettierte Spiegellinse
(Abb. 14a, b). Hierdurch entsteht ein Auge mit großem Sehfeld
(etwa 90°), großer Lichtstärke und hoher Bildschärfe. Die
einfallenden Lichtstrahlen werden durch Spiegelung an den
Randflächen der quadratkegelförmigen Ommatidien auf die
darunter liegenden Sinneszellen geleitet. Entscheidend ist
Naturwissenschaftliche Rundschau | 57. Jahrgang, Heft 4, 2004 187