Die Natur als Vorbild (Bionik)

Die Natur als Vorbild – Einführung in die Bionik

Hast du dich jemals gefragt, wie ein Flugzeug so effizient durch die Luft gleiten kann oder warum ein U-Boot so gebaut ist, wie es gebaut ist? Die Antworten auf viele komplexe technische Fragen finden Ingenieurinnen und Ingenieure sowie Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in der Natur. Tiere und Pflanzen haben in Milliarden von Jahren der Evolution optimale Lösungen für das Überleben, die Fortbewegung und Stabilität entwickelt. In diesem Text erfährst du mehr über diese Zusammenhänge und die Wissenschaft der Bionik.

Bionik – Definition

Die Bionik – ein Kofferwort aus Biologie und Technik – ist die interdisziplinäre Wissenschaft, die Zusammenhänge zwischen Struktur und Funktion erforscht und sie auf technische Anwendungen überträgt. Es geht nicht um reines Kopieren, sondern um die Abstraktion der zugrundeliegenden biologischen Prinzipien, um innovative und oft nachhaltigere technische Lösungen zu schaffen.

Zwei Wege der Bionik: Top-down und Bottom-up

In der Bionik gibt es zwei grundlegende methodische Ansätze, um vom biologischen Vorbild zur technischen Innovation zu gelangen.

Der Bottom-up-Prozess

Dieser Prozess startet bei einem interessanten Phänomen in der Natur und fragt: Welches Prinzip steckt dahinter und wie könnte man dieses in der Technik nutzen?

• Startpunkt: eine biologische Struktur oder Funktion (z. B. die Oberfläche eines Lotusblatts)
• Abstraktion: Das zugrundeliegende Prinzip wird erkannt (z. B. selbstreinigende, superhydrophobe Oberfläche durch Mikro- und Nanostrukturen).
• Umsetzung: Das Prinzip wird technisch angewendet (z. B. selbstreinigende Fassadenfarbe).
• Weiteres bekanntes Beispiel: Der Klettverschluss, inspiriert durch die winzigen, hakenförmigen Borsten der Klettenfrüchte, die sich im Fell von Tieren verfangen.

Der Top-down-Prozess

Dieser Prozess startet bei einem konkreten technischen Problem und fragt gezielt: Hat die Natur ein ähnliches Problem gelöst und wenn ja, wie?

• Startpunkt: ein technisches Problem (z. B. Wie lässt sich der Strömungswiderstand eines Schiffes reduzieren?)
• Recherche: Suche nach biologischen Organismen, die dieses Problem effizient gelöst haben (z. B. schnelle Schwimmer wie Haie).
• Analyse: Untersuchung der biologischen Lösung (z. B. die Hautstruktur des Hais mit ihren winzigen Riblets)
• Umsetzung: Übertragung des Prinzips auf die Technik (z. B. Haifischhautfolien für Schiffe oder Schwimmanzüge für Menschen zur Reduzierung des Reibungswiderstands)

Beispiele der Bionik – detaillierte Fallstudien

Die Bionik lässt sich in verschiedene Bereiche gliedern, die sich an den jeweiligen Herausforderungen orientieren.

Die Strukturbionik und der Leichtbau: Stabilität bei minimalem Materialeinsatz

Ein zentrales Ziel der Evolution ist die materialsparende Konstruktion von Organismen, die trotzdem maximal stabil und belastbar sind. Dieses Prinzip wird in der Konstruktions- und Strukturbionik auf die Technik übertragen.

Vorbild Knochen

Röhrenknochen sind ein spannendes Beispiel. Sie zeigen eine beeindruckende Kombination aus Stabilität und Leichtigkeit. Ihre Festigkeit resultiert aus einer optimalen Materialverteilung:

• innen: lockeres, schwammartiges Spongiosa-Gewebe,
• außen: dichter, fester Kortikalis-Knochen.

Dieses Prinzip ist das Vorbild für den Leichtbau in der Technik, etwa in der Flugzeug- oder Automobilindustrie. Ingenieurinnen und Ingenieure nutzen beispielsweise Gitternetze (inspiriert vom Knochenbau und seinen Spannungslinien), um Materialien nur dort einzusetzen, wo sie für die Lastabtragung unbedingt nötig sind.

Die Klimabionik: Passive Temperaturregulierung

Pflanzen und Tiere regulieren ihre Temperatur und Feuchtigkeit oft ohne aktiven Energieverbrauch.

Vorbild Termitenhügel

Die bis zu sieben Meter hohen Bauten der afrikanischen Termiten sind Meisterwerke der passiven Belüftung. Die Termiten halten im Inneren eine konstante Temperatur und Luftfeuchtigkeit, indem sie ein komplexes System aus:

• Kanälen (für Frischluftansaugung),
• Kaminen (für warme Abluft) und
• porösen Wänden (für den Gasaustausch) nutzen.

Die Kaminwirkung (Auftrieb warmer Luft) sorgt für einen ständigen, energieunabhängigen Luftaustausch. Dieses Prinzip wurde auf die Architektur übertragen: Das Eastgate Centre in Harare, Simbabwe, nutzt eine bionische Klimaanlage. Es kühlt sich fast ausschließlich über ein Belüftungssystem, das dem Termitenhügel nachempfunden ist und benötigt so im Vergleich zu konventionellen Gebäuden deutlich weniger Energie.

Die Oberflächenbionik: der Lotuseffekt

Dieses Beispiel haben wir weiter oben bereits erwähnt: Der Lotus-Effekt (Superhydrophobie) ist eines der bekanntesten bionischen Prinzipien und stammt von der Lotuspflanze (Nelumbo nucifera). Die Oberfläche des Lotusblatts ist mit winzigen, wachsartigen Papillen (Erhebungen) und noch feineren Nanostrukturen überzogen. Wasser kann diese raue, mikroskopisch zerklüftete Oberfläche nicht benetzen. Die Folge: Wassertropfen liegen nur punktuell auf den Spitzen der Papillen auf und bilden fast perfekte Kugeln. Sie rollen ab und nehmen dabei alle lose aufliegenden Schmutzpartikel mit – das Blatt ist selbstreinigend.

Die technische Anwendung ist vielfältig: selbstreinigende Fassadenfarben, Glas oder Textilien. Das Ziel ist, Reinigungsmittel und Wasser einzusparen und die Haltbarkeit von Materialien zu erhöhen.

Bionik als Zukunftswissenschaft

Die Bionik ist ein entscheidender Faktor bei der Entwicklung von nachhaltigen und ressourceneffizienten Technologien.

Die Natur arbeitet nach Prinzipien, die in der Technik erstrebenswert sind:

• Kreislaufwirtschaft: Abfälle des einen sind Ressourcen des anderen.
• Selbstorganisation und -reparatur: Organismen können Schäden reparieren (z. B. Wundheilung).
• Energieeffizienz: Prozesse laufen bei Umgebungstemperatur und ohne hohen Druck oder giftige Katalysatoren ab.
• Multifunktionalität: Eine Struktur erfüllt mehrere Aufgaben gleichzeitig (z. B. Gecko-Haftstrukturen sind gleichzeitig wasserabweisend).

Fassen wir das Wichtigste nachfolgend noch einmal zusammen.

Häufig gestellte Fragen zum Thema Die Natur als Vorbild (Bionik)