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Naturbelassen

Besser fahren mit dem Gecko, düsen mit dem Tintenfisch: Forscher staunen über die Genialität von Flora & Fauna. Wie bionische Innovationen unseren Alltag revolutionieren.

Technology

An sich ist der Zugang der Bionik, einer Mischung aus Biologie und Technik, durchaus plausibel. Da existiert etwas, das sich seit Millionen von Jahren an die Gegebenheiten auf der Erde angepasst hat, gelernt hat, mit den Naturgewalten umzugehen und Vorteile für sich zu nutzen. Das Phänomen nennt sich Evolutionsgeschichte, die Wissenschaft, die dahintersteckt, ist die Biologie. Warum sollten andere Wissenschaften auf diesen unversiegbaren Quell an Wissen verzichten? Warum die Errungenschaften der Natur nicht auch für die moderne Technik nutzen? So mancher Biologe ist überzeugt, dass die Technik ohne die Erkenntnisse aus der Natur auf viele bahnbrechende Innovationen hätte verzichten müssen. Und wer ein bisschen genauer hinsieht, wird diesen Skeptikern recht geben müssen. Denn die Natur versteckt sich in weit mehr Dingen, als sich vermuten lässt. Genau hinsehen – das war auch das Motto von Leonardo da Vinci. Mit seinen Erfindungen gilt er als der erste Bioniker der Welt. Seine Überzeugung: «Der menschliche Schöpfergeist kann verschiedene Erfindungen machen (…), doch nie wird ihm eine gelingen, die schöner, ökonomischer und geradliniger wäre als die der Natur, denn in ihren Erfindungen fehlt nichts, und nichts ist zu viel.» Mit der Perfektion bei Pflanzen und Tieren hatte der Universalgelehrte natürlich recht. Die Annahme, dass der Mensch die Natur nicht überflügeln könnte, ist jedoch überholt und galt vielleicht im 15. Jahrhundert als unanfechtbar. Heute ist aber kein Wissenschaftler mehr dieser Ansicht. Ganz im Gegenteil: So manche Erfindung, die ihren Ursprung in der Natur hatte, hat ihren Ideengeber längst überflügelt. Leonardo da Vincis Versuche mit Fluggeräten hatten eindeutig Vögel als grosses Vorbild – wenngleich seine Experimente am Monte Ceceri kläglich scheiterten und seinem Assistenten Tommaso Masini schwere Knochenbrüche zufügten. Auch der deutsche Flugpionier Otto Lilienthal wusste, dass der Flug des Menschen in die Wolken nur durch das Studium der Vögel möglich wäre. Er baute im 19. Jahrhundert ein Vogelskelett nach und spannte darüber eine dünne Stoffschicht – seine Gleitflüge galten als legendär, er selbst als ein unvergessener Wegbereiter. Ihm folgten die Gebrüder Wright, die ihr Flugzeug ebenfalls am Beispiel des Fluges grosser Vögel konzipierten und Anfang des 20. Jahrhunderts erste nennenswerte Gleitflüge durchführten. Wer weiss, würde es keine Vögel geben, vielleicht wäre das Fliegen für uns bis heute ein grosses Mysterium.

FLUGS INNOVATIV

Der Flugzeugbau an sich ist eine Goldgrube für die Bionik. Eine Vielzahl von Flugzeugteilen wurde von der Natur abgekupfert. Beispielsweise die sogenannten Winglets, die jeder schon gesehen hat. Es sind vertikale Flügelchen am Ende der Tragflächen. Angelehnt sind sie an die Schwungfedern von grossen Vögeln wie beispielsweise dem Albatros, der extrem energiesparend fliegen muss. Sie reduzieren den Widerstand an den Tragflügeln und sparen bis zu zehn Prozent Treibstoff ein. Die Firma Airbus bastelt derzeit an einem Konzeptflieger, an dem Bremsklappen installiert sind, die der Form der Victoria-Seerose ähneln. Diese Pflanze schafft es nämlich, aufgrund ihrer Struktur rund 80 Kilogramm über Wasser zu halten. Auch der Haifisch dient den Wissenschaftlern in diesem Projekt als Vorlage. Der Fisch ist bekannt dafür, dass er hohe Geschwindigkeiten bei wenig Widerstand erzielen kann. Zu verdanken ist das seiner speziellen Haut, die seit einiger Zeit auch schon Schwimmer bei ihren Wettkämpfen nutzen. Bei Airbus wird das Flugzeug mit solch einer künstlichen Haut, der sogenannten Riblet-Folie, beschichtet. Das Ziel ist auch hier, den Widerstand zu reduzieren und Treibstoff zu sparen. Leider scheitert eine solche zweite Haut an den Kosten, die durch die Spriteinsparung nicht kompensiert werden könnten. Auch bei der Enteisung der Flügel wurde etwas von der Natur abgeschaut. Jeder, der bei kalten Temperaturen bereits im Flieger sass, hat wahrscheinlich auch schon die lange Prozedur der Enteisung mit einem Glykol-Wasser-Gemisch mitansehen müssen. Ein billigerer und einfacherer Weg könnte – inspiriert von der mehrschichtigen Haut tropischer Giftfrösche – eine wasserabstossende, poröse Oberfläche sein. Statt des Gifts wird ein flüssiges Frostschutzmittel aufgetragen. Auch vor dem Innenraum ihres Versuchsfliegers macht Airbus nicht halt. Dieser wurde dem Skelett von Vögeln nachempfunden, was wiederum den Flug erleichtern soll.

STERNFAHRT DES KOFFERFISCHES

Aber natürlich sind nicht nur die Flugzeugbauer verleitet, sich von guten Ideen bei Fauna und Flora inspirieren zu lassen. Auch die Automobilindustrie möchte am biologischen Vorteil mitnaschen. Das startet bereits bei der flotten Form. Alles, was sich ergonomisch fortbewegen möchte, braucht eine stromlinienförmige Figur – Fische und Vögel wissen das, Autohersteller inzwischen längst auch. Mercedes Benz hat sich die Natur so stark zu Herzen genommen, dass sogar ein eigenes Bionic Car entwickelt wurde. Kurioserweise sieht dieses Auto nicht aus wie ein Aal oder ein Hecht, sondern wie ein Kofferfisch. Das Bionic Car spart trotz seiner würfelähnlichen Form 20 Prozent Treibstoff aufgrund der hervorragenden Strömungseigenschaften. Auf den Markt kam der Kofferfisch-Mercedes dennoch nie, die Silhouette passte dann doch nicht so gut zum damaligen Zeitgeist. Aber auch heute würde es das 2005 vorgestellte Bionic Car wohl nicht in die Serienproduktion schaffen – da kann auch der fantastische cw-Wert von 0,19 (Strömungswiderstand) nichts daran ändern. Zum Vergleich: Ein Hybrid-Supersportler wie der BMW i8 bringt es auf einen cw-Wert von 0,26. Selbst der Autoreifen darf auf natürliche Vorbilder zurückblicken. Die Lamellen sind nämlich dem Fuss eines Geckos nachempfunden – sie können sich damit ihrem Untergrund besser anpassen. Und auch wenn es uns vollkommen logisch erscheint, aber auch die Erkenntnis, dass breite Reifen besser haften und schmale Reifen weniger Reibung haben, stammt aus der Beobachtung der Natur. Schmale Pneus erlauben hohe Geschwindigkeiten bei geringem Energieverlust, ähnlich wie der Fuss eines Gepards. Wie wichtig die Ideensuche hier war, zeigt der Rollwiderstand der Reifen, der immerhin 20 bis 30 Prozent des Spritverbrauchs ausmacht. Apropos Reifen: Auch die Speichen einer Felge sehen nicht zufällig so aus. Sie sind dem Knochen nachempfunden. Der ist in seinem Inneren nämlich gar nicht massiv, sondern besteht aus filigranen Strukturen. Und wenn die Festigkeit nicht darunter leidet, wenn ein paar Kilo weggelassen werden, schadet das sicherlich nicht dem Energieverbrauch. Von diesem Vorteil machen übrigens auch Architekten beim Bau von Brücken Gebrauch. Generell ist die Bionik ein interessantes Feld für die Autoindustrie: Rund 90 Prozent aller in Deutschland gefertigten Fahrzeuge wurden dank bionischer Methoden gewichts- und formoptimiert.

KEIN SCHMUTZ

Das wahrscheinlich berühmteste Produkt bionischer Forschung in unserem Alltagsleben aber ist der sogenannte Lotuseffekt. Sein Entdecker, der Deutsche Wilhelm Barthlott, erkannte Ende der 1970er-Jahre, dass wasserabweisende Pflanzenblätter niemals verschmutzen. Ein Phänomen, das sich ganz stark bei der indischen Lotusblume zeigt – im asiatischen Raum ist sie nicht ohne Grund ein Symbol der Reinheit. Ihr Geheimnis: Sie besitzt eine mikroskopisch fein gerippte Oberfläche, auf der das Wasser in kugeliger Form abläuft. So werden Schmutzpartikel auf- und beim Abperlen mitgenommen. Nach diesem Vorbild wurden selbstreinigende Lacke und Farben produziert. Jedermann geläufig ist auch das Niedrigenergiehaus, das heute bereits zum Standard geworden ist. Eine spezielle Form dieser Öko-Behausung konstruierten Ende des letzten Jahrhunderts Werner Nachtigall und Georg Rummel. Sie orientierten sich bei der Belüftung ihres Hauses an den Bauten der Präriehunde, die einen Eingang in ihrem Höhlensystem höher bauten als die anderen. Der gewünschte Effekt: Der Höhenunterschied verursacht bei darüber wehendem Wind eine Druckdifferenz und erzeugt eine angenehme Luftströmung im Bau. Ohne diese natürliche Lüftung wäre das Höhlensystem wahrscheinlich unbewohnbar. Und eine weitere evolutionäre Innovation aus der Trickkiste der Natur wenden die beiden Bauherren an: die transparente Wärmedämmung. Abgeschaut haben sie sich diese beim Eisbär. Seine weissen Haare leiten nämlich die einfallende Licht- und Wärmestrahlung nach unten zur dunklen Hautoberfläche, von der die Wärme dann absorbiert wird. Toll, funktioniert auch bei Häusern. Ein weiteres Bionik-Produkt haben die meisten von uns tagtäglich in Gebrauch: den Klettverschluss. Diese praktische Erfindung verdanken wir dem Schweizer Erfinder Georges de Mestral. Weil er sich vielfach über die Kletten im Fell seiner Hunde ärgerte, legte er die Pflanzen unter das Mikroskop und stellte fest, dass diese wegen ihrer elastischen Häkchen so gut haften blieben. Im Jahr 1951 meldete er den Klettverschluss zum Patent an. Die Liste bionischer Erfindungen liesse sich endlos weiterführen. So wurden beispielsweise Saugnäpfe nach dem Vorbild des Kraken gefertigt, Sonar und Echolot wurde bei den Delfinen und Walen abgeschaut, der Propeller bei der Flügelfrucht des Ahorns, und das Strahltriebwerk und der Raketenantrieb basieren auf dem Rückstossprinzip bei Quallen und Tintenfischen.

SCHNITTSTELLE IN DIE ZUKUNFT

Was sich nach einer plumpen Kopie der Evolutionsgeschichte anhört, ist in Wahrheit aber hoch kompliziert. Die Bionik fertigt keine identischen Abbilder an, sondern es werden Erkenntnisse gewonnen, die dann in einem kreativen technischen Prozess umgesetzt werden. Dieser Prozess dauert oft Jahre, ehe mit einem fertigen Produkt gerechnet werden darf. Die Bionik kann und will daher keine andere Wissenschaft verdrängen, sie ist eine Schnittstellenwissenschaft. Die Natur trennt auch nicht zwischen Biologie, Chemie oder Physik. Wenn diese Kooperation Früchte trägt, kann es durchaus auch vorkommen, dass der Lehrling zum Meister wird. Beispielsweise ist es der Wissenschaft gelungen, einen Seidenfaden herzustellen, der doppelt so belastbar ist wie das Original. Die bionische Seide ist rund 25-mal so belastbar wie ein Stahldraht mit vergleichbarer Dicke, bleibt dabei aber so elastisch wie Gummi. Eingesetzt wird die künstliche Seide, die den Namen BipSteel trägt, zum Beispiel bei Wundauflagen, Ummantelungen für Medikamente, Herzschrittmachern oder flexibler Schutzkleidung.

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Bionics & Prothesen

Die Verschmelzung von Technik und Biologie beschränkt sich nicht nur auf das Beobachten der Natur und eine anschliessende Umsetzung des Gelernten in der Technik. Es gibt zahlreiche Teilgebiete der Bionik. Eines der wichtigsten für den Menschen dürfte die Neurobionik sein. Sie beschäftigt sich mit dem Einsatz technischer Hilfsmittel bei Patienten – vor allem im Bereich der Prothesen. Im angloamerikanischen Raum steht diese Wissenschaft sogar im Vordergrund, wenn von «Bionics» die Rede ist. Druck- und hitzeempfindliche Prothesen sind ebenso das Ziel wie Prothesen, die über Gedanken gesteuert werden können. Prototypen existieren schon. Wenn sie marktreif werden, könnten betroffene Personen ein grosses Stück Lebensqualität zurückgewinnen – oder sogar das biologische Original übertreffen. Eine solche Möglichkeit führt natürlich bereits im Vorfeld zu Spannungen. Im Sport gibt es schon heute Fälle, die die Geister scheiden: Der Athlet Markus Rehm sprang sich beispielsweise mit seiner Karbonbeinprothese in die Zulassungsliste der Leichtathletik-EM. Es wurde jedoch entschieden, dass die künstlichen Teile den Sportlern Vorteile verschaffen würden und sie daher nicht gewertet werden dürfen. Eine faire Entscheidung oder gar diskriminierend? Es wird wohl eine ethische Frage sein, wenn in Zukunft die Technik voranschreitet und in der Lage sein wird, einen «besseren» Menschen zu erschaffen. Heute dürfen sich körperlich eingeschränkte Menschen aber einmal auf innovative Neuerungen, die sich die Wissenschaft dank der Natur zu Eigen machen konnte, freuen.

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