Volkmar Stenzel
In vielen Bereichen der Technik versucht man, mit wissenschaftlichen Mitteln "von der Natur" zu lernen um technische Probleme zu lösen. Hier geht es darum, Funktionsprinzipien von lebenden Systemen auf technische Systeme zu übertragen. Man nutzt auf diese Weise die im Laufe von Jahrmillionen durch Evolution entstandenen und optimierten Entwicklungen. Prominente Beispiele für technische Produkte, die mit den Mitteln der Bionik entwickelt oder optmiert wurden, sind:
- Der Klettverschluss (abgeleitet vom Verbindungsmechanismus der Klette im Tierfell)
- Selbstreinigende, schmutzabweisende Oberflächen, auf denen praktisch alle wasserlöslichen Substanzen abperlen (abgeleitet von der Oberfläche des Blattes der Lotuspflanze).
- Strömungsgünstige Fahrzeuge, z.B. Konzeptfahrzeug "Bionic Car" von DaimlerChrysler (abgeleitet von der Körperform des Kofferfisches)
- Strömungsgünstige Schwimmanzüge mit Rillenstruktur (abgeleitet von der Schuppenstruktur von schnellen Haien)
Nicht nur im Bereich der Strukturen und Konstruktionen wird von den Prinzipien aus der Natur Gebrauch gemacht, sondern auch bei der Entwicklung von neuen Materialien. Beispiele für aktuelle Entwicklungsprojekte sind:
- Klebstoffe nach dem Prinzip von Haftmechanismen von Muscheln. Ziel ist hier zu extrem starken Klebstoffen zu kommen, die auch unter Wasser eingesetzt werden können.
- Technisch hergestellte Spinnenseide, die die hervorragenden mechanischen Eigenschaften der Spinnenseide (z.B. Reißfestigkeit) für technische Anwendungen nutzbar macht.
- Künstliches Perlmutt, ein Material mit extremer Bruchfestigkeit
Seit einigen Jahren sind derartige Farben, bzw. Fassadenfarben (z.B. Lotusan®) kommerziell erhältlich und werden vielfach eingesetzt. Sie imitieren den Effekt der Schmutzabweisung, wir er beim Lotusblatt (übrigens auch bei anderen wie Kohlrabi) vorhanden ist. Dieser Effekt beruht auf der Kombination von Oberflächenstruktur und hydrophober (Wasser abweisender) Oberflächenchemie. Schmutz auf der Oberfläche wird durch Wasser abgelöst und mit den abrollenden Tropfen abtransportiert.
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In einem Punkt ist die Übertragung dieses Prinzips aus der Natur in die Technik bislang nicht gelungen: Das Lotusblatt regeneriert sich selbst. Alle bisherigen technischen Produkte, auf diesem Prinzip basierend, sind dazu nicht in der Lage, d.h. eine Regeneration der beschädigten Oberflächenstruktur ist nicht möglich.. Wird also die Mikrostruktur beschädigt, ist der Effekt nicht mehr vorhanden.
Das bei vielen Oberflächen in der Natur verwirklichte Prinzip der Selbstheilung ist ebenfalls Gegenstand von aktuellen Untersuchungen. Man versucht Schutzbeschichtungen mit einem "Selbstheilungsmechanismus" zu entwickeln. Entstehen Risse in der Beschichtung, sollen diese durch die Freisetzung von in der Schicht verkapselten Harzen "ausgeheilt" werden.
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Mikrostrukturen (Größenordnung tausendstel Millimeter), die von der Schuppenstruktur von schnell schwimmenden Haien abgeleitet sind, können in Lackoberflächen übertragen werden und so zur Reduzierung des Strömungswiderstandes von Fahr- und Flugzeugen, Rotorblättern von Windenergieanlagen und Pipelines beitragen. Die Erzeugung und Prüfung derartiger Oberflächenstrukturen auf großen Bauteilen ist Gegenstand aktueller Forschungsprojekte.
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In ähnlicher Weise wird daran gearbeitet, verschiedene, aus der Natur übertragene, Mikro- und Nanostrukturen (Größenordnung millionstel Millimeter) in Lackoberflächen zu erzeugen und somit preiswert technisch nutzbar zu machen. Beispiele dafür sind:
- Mottenaugenstrukturen zur Entspiegelung
- Mikrostrukturen zum Schutz gegen Bewuchs ("Anti-Fouling")
- Stark Wasser abweisende Strukturen (abgeleitet von der Oberfläche einer Wasserspinne)
Auch im Bereich der dekorativen Beschichtungen kann von den Vorbildern aus der Natur gelernt werden. Viele Tiere zeigen extrem brilliante Farben, die häufig auf dem Prinzip der Interferenz, also der Überlagerung von Lichtstrahlen durch Reflektion an dünnen Schichten, beruhen.
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Dieser optische Effekt wird durch moderne Interferenzpigmente (z.B. Perlglanzpigmente, Flüssigkristallpigmente) nachgeahmt. Näheres zu diesem Thema kann dem Beitrag der 9. Woche von Dr. Adalbert Huber entnommen werden.
Eine weitere wichtige Oberflächen-Eigenschaft ist das Berührungsgefühl (Haptik). Viele Produkte werden daher mit Lacken veredelt, welche dem Benutzer ein angenehmes Berührungsgefühl vermitteln. Beispiele dafür sind Teile des Innenraums von Autos, hochwertige Schreibgeräte und vieles mehr. Auch hier versucht man die Eigenschaften von natürlichen Oberflächen wie z.B. Leder auf den Lackfilm zu übertragen. Die wichtigen Eigenschaften sind hier: Elastizität, Wärmeleitfähigkeit, Glätte und Struktur. Das Berührungsgefühl ist allerdings etwas, was durch physikalische Messungen nur bedingt charakterisiert werden kann. Darüber hinaus ist das, was als ein angenehmes Berührungsgefühl empfunden wird, stark von individuellen und kulturellen Vorlieben abhängig.
Die Übertragung von Wirkprinzipien aus der beleben Natur bietet offensichtlich auch im Bereich der Lacktechnik die Möglichkeit die Leistung von Lacken weiter zu verbessern, bzw. dem Lack neue Funktionen zu verleihen.
In Deutschland ist man im Augenblick in der Bionik sehr weit vorne, was durch die Einrichtung entsprechender Studiengänge, wie zum Beispiel an der Hochschule Bremen, unterstützt wird. Auch Netzwerke wie zum Beispiel der BIOKON e.V. (Bionik-Kompetenz-Netz e.V.), bei dem auch das Fraunhofer Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung Mitglied ist, tragen dazu bei, diese zukunftsträchtige Disziplin weiter voran zu bringen.
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Dr. Volkmar Stenzel Fraunhofer Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) Wiener Strasse 12 28359 Bremen Tel.: +49 (0)2246-407 Fax: +49 (0)2246-430 E-Mail: vs@ifam.fraunhofer.de |  |